PRI CIPIOS Y SISTEMA
DE REFRIGERACION
~,IP
Edward G. Pita
New York City Technical College
de la Universidad de la ciudad de Nueva York
Version espanola:
CARLOS ALBERTO GARCiA FERRER
Ingeniero qufrnico e ingeniero civil
Revision:
JORGE LUIS JIMENEZ PADILLA
Ingeniero mecanico de In Escuela Superior de Ingenierfa Mecanica y Electrica
del Institute Politecnico Nacional de Mexico,
Profesor asociado A en la especialidad de aire acondicionado
e instalaciones industriales del Departamento de Energfa en la
Universidad Autonoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco,
,
.
NORIEGA EDITORES
LIMUSA
EDITORIAL
MEXICO
•
ESPANA
COLOMBIA
fit
9
VENEZUELA
•
ARGENT:NA
PUERTO RICO
'.
Version au'toriz1dri e'n espafiol de la obra publicada en ingles por
John Wiley & Sons. Inc .. con el titulo
REFRIGERATIOl'{ PRINCIPLES AND SYSTEMS.
An Energy Approach.
© John Wiley & Sons. Inc.
ISBN: 0-471-87611-9
Elaboracion:
SISTEMAS EDITORIALES
TECNICOS,
S.A. de C. V.
La prcsentacion y disposicion en conjunto de
PRINCIPIOS Y SISTEMAS DE REFRIGERACION
SOIl propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra
puede se~ reproducida 0 transmitida, mediante ningtin sistema
o metoda, electronico 0 mecanico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO,
la grabacion 0 cualquier sistema de recuperacion y almacenamiento
de informacion}, sin consentimiento por escrito del editor.
Derechos reservados:
©
1991. EDITORIAL LIMUSA. S.A. de C.V.
Balderas 95. C.P. 06040. Mexico. D.F.
Telefono 521-50-98
Fax 512-29-03
Telex 1762410 ELIME
Miembro de la Camara Nacional de la
Industria Editorial Mexicana. Registro rnirnero 121
Primers edici6n: 1991
lnipreso ell Mexico
(5664)
ISBN 968~18·3969·2
TF
___________
r
PROLOGO
_
proporciona un mirnero considerable de datos
de capacidad suministrados por los fab ricantes, junto con casos resueltos de deterrninac~6n de 1£1
capacidad. Tambien se dan ejemplos
del equilibrio de los componentes y de su utilizaci6n.
Se induye una gran cantidad de tablas, graficas y ejemplos resueltos de los calculos de la
carga de refrigeraci6n y de las dimensiones de
las tuberias. Se estudian las norm as apropiadas
para la instalacion de las tuber ias, 10 que se
apoya con instrucciones sencillas. Se ponen de
relieve los problemas de flujo del aceite y
del refrigerante. Se tratan de manera especial las norm as para los sistemas de baja temperatura, y los problemas de descongelaci6n
y de refrigeraci6n por medio de la bomba de
calor.
La obra concluye can algunos capitulos sobre los sistemas de servicio electrico, motores
)' controles. El material presentado constituye
una introducci6n completa para las personas
que estudian refrigeraci6n pero que no tienen
acceso al mismo tiempo a eursos por separado 0 a .textos especializados en el tema.
Ellibro contiene muchos ejemplos resueltos, problemas y preguntas de repaso. Hay al
final de la obra un glosario y se proporcionan
adernas tablas de propiedades y diagramas p-h
de un buen nurriero de refrigerantes.
Este Iibro constituye un texto basico en el que
se estudian los principios, equipo y sistemas de
la refrigeraci6n. Esta destinado a los estudiantes
de cursos de refrigeraci6n en escuelas superiores
o institutos tecnol6gicos. Asimismo, es un uti!
libro para la au toensefianza de aquellas personas que trabajan en ventas y aplicaeiones de
los sistemas de refrigeraci6n, constratistas, teenicos de servicios e ingenieros de mantenimiento.
A 10 largo de todo ellibro se pone enfasis
en el aprovecharniento y el ahorro de energia,
tanto en 10 que respecta a ]05 principios como
a las aplieaciones. Este enfoque se debe a que
estoy co~vencido de que el factor energia es
parte esencial de los estudios sobre la ~ecnologia de la refrigeraci6n, y que debe ser parte integral del proceso de aprendizaje.
Se incluye un repaso de la fisica basica
aplicada necesaria para proceder al estudio de
los fundamentos de refrigeracion, Se explican
en detalle los sistemas tanto de compresi6n
como de absorci6n de vapor. Se hace hincapie
en el uso del diagrama p·h para la comprensi6n y el analisis del funcionamiento del sisterna de refrigeraci6n y para la evaluaci6n de los
efectos de la energia. Se presenta el diagram a
de equilibrio y se explica su utilizaci6n.
Se describen las caracteristicas y construecion de los equipos modernos. Asimismo, se
5
~
....
6 I Prologo
La obra esta planeada para un curso de dos
serncstres de duracion y de dos a tres horas por
sernana. No obstante, se pueden seleccionar algunos temas importantes para integrar un curso de menor duracion. Por ejemplo, la mayor
parte de los capitulos dell al 9 junto con parte de los capitulos 11 y 12, comprenden un curso basico.
Deseo expresar rni agradecimiento a mis
colegas en la docencia yen la industria par sus
t
iitiles comen tarios, Tam bien agradezco a los
muchos fabricantes que me cedieron gentilmente material e informacion para incorporarlos en el libro. Asimisrno, day gracias a los
estudiantes que son los que finalmente determinaran si tanto ellibro como el curso respon·
den a sus preguntas, intereses y deseos de
aprender.
Edward G. Pita
_____
CONTENIDO
1 Introduccion: principios
fisicos 1
2.11 Calores latentes de fusion y sublimacio n
13
146
1.1 Usos de la refrigeracion I 13
1.2 Metodos de refr igeracion I 15
1.3 Equipo de refrigeracion I 15
1.4 Unidades y conversiories I 16
1.5 Masa, fuerza, peso, densidad y volumen
especifico I 18
1.6 Exactitud de los datos I 20
1.7 Presion I 21
1.8 Presion de una columna de liquido I 24
1.9 Trabajo, patencia y energia I 27
1.10 Calor y temperatura I 28
1.11 Entalpia 30
Preguntas de repaso I 31
Problemas I 31
2.12 La ley de los gases perfectos (ideales) I 47
2.13 Utilizacion de la energia (segunda ley de
la termodimimica) 147
2.] 4 Transferencia de calor I 49
Pregiintas de repaso I 50
Problemas I 50
3 El sistema de refr igeracidn por
cornpresion de vapor:
Diagramas de presion-entalpia
3.1
r
2 Principios fisicos 2
_
3.2
3.3
33
3.4
3.5
2.1
Ecuacion de la energia (primera ley de la
terrnodinarnica) I 33
2.2 Liquidos, vapores y cambio de estado de
los mismos I 35
2.3 Dependencia de la temperatura de
ebullici6n con respecto a la presion I 36
2.4 La teorfa molecular (cinetica) de los
liquidos y los gases '/ 39
2.5 Condici6n satur ada, subenfriada y
sobrecalentada I 41
2.6 Calor sensible y calor latente I 42
2.7 Tablas de las propiedades saturadas I 42
2.8 Refrigeraci6n por evaporaciori I 42
2.9 Determinacion de la cantidad de calor
agregado 0 removido I 44
2.10 Calor especifico: la ecuacion del calor
sensible I 45
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
7
53
Refrigeracion por vaporizacion de un
liquido I 53
Recuperacion del refrigerante I 55
EI sistema de refrlgeracion par
compresi6n de vapor I 55
EI lado de alta y el lado de baja I 57
La tuberia y el recibidor del
sistema I 58
EI diagrama de presion-entalpia
(diagrama de Mollier) I 59
Lineas de propiedades en el diagrama de
presion-ental pia I 59
Cambio de estado en el diagrama de
presi6n-entalpia I 61
Interpretacion de un diagrama real de
presi6n-entalpia I 62
Localizaci6n de las condiciones en el
diagrama de presion-ental pia I 63
Localizacion de las condiciones saturadas
en el diagrama de presion-entalpia I 64
Mezclas de liquido y vapor: calidad I 64
Calor latente de vaporizacion a
condensacion I 66
8 J Contenido
5 Compresores reciprocantes, rotatorios y
helicoidales (de tornillo)
95
3.14 Sobrecalentarniento I 66
3.15 Procesos en el diagrama de presion'
ental pia I 67
Preguntas de repaso I 67
Problemas I 68
5.1
5.2
4 Tez-modiriamicadel cicio de refrigeracion
por compresi6n de vapor
69
4.1
4.2
'1.3
4.4
4.5
4.5
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
Cicio terrnodinamico de refrigeracion y
funcionamiento del sistema I 69
EI cicio ideal de refrigeracion por
cornpresion de vapor saturado I 70
El proceso en el dispositivo de control
de flujo (a entalpia constante) I 71
EI proceso en el evaporador (a presion
constante) I 72
El efecto de refrigeracion I 73
Flujo masico del refrigerante , 74
El proceso en el compresor (a entropia
constante) I 74
El calor de cornpresion y eJ trabajo de
com presion "74
•
Pctencia te6rica requerida por el
compresor I 75
Desplazarniento te6rico requerido par el
compresor I 76
El proceso en el condensador (a presion
constante) I 77
.
La ecuacion de la energia y el cicio de
refrigeraci6n I 78
Analisis completo del funcionamiento del
cielo ideal I 79
El coeficiente de rendimiento I 80
Cambio de la temperatura de
evaporacion I 80
Cambia de la temperatura de
condensacion I 82
El sobrecalentarniento en el evaporador 184
El sobrecalentam iento en la linea de
suction' 85
EI subenfriamiento del refrigerante f 86
Cambiadores de calor de Iiquido y
succi6n I 87
Caida de presion en las Hneas ( 88
Conservacion de la energia , 91
La relacion de la eficiencia de la energia
(REE) I 91
4.24 Coefieiente maximo de rendimiento
Preguntas de repaso I 92
Problemas I 93
~
..
, 92
Objeto del compresor I 95
Tipos de compresores / 96
Compresores reciprocantes
5.3 Operaci6n y construcci6n / 96
5.4 Compresores abiertos I 98
5.5 Compresores herrneticos I 98
5.6 Selios de los com pres ores 1101
5.7 Valvulas /101
5.8 Sistema de lubricaci6n / 102
5.9 Problemas relacionados can el
refrigerante liquiclo y el aceite I 103
5.10 Accesorios / 105
5.11 Control de la capacidad , 105
5.12 Controles y dispositivos de seguridad 1110
5.13 Desplazarniento y eficiencia volumetrica
de los compresores I III
5.14 EI desplazamiento y las especificaciones
del compresor /113
5.15 La capacidad nominal del compresor y
su seleccion f 114
5.16 Factores que afectan el funcionamiento
del compresor , 116
Compresores rotatorios
5.17 Operacion y construcci6n , 118
Compresores rotatorios helicoidales (de tornillo)
5.18 Operacion y construcci6n I 121
5: 19 La conservacion de la energia y los
compresores I 123
Preguntas de repaso I 124
Problemas J 125
6 Transferencia de calor en
refrigeracion. Evaporadores
127
Transferencia de calor en refrigeraci6n i127
Formas de transferencia de calor I 128
Resistencia terrnica I 128
6.4 Conductancia y conductividad I 129
6.5 Conductancia de una pelicula de liquido
o de gas I 129
.
6.6 Resistencia y conductancias totales I 130
6.7 La ecuaci6n de transferencia de calor J 131
6.8 Diferencia de la temperatura media
efectiva I 132
6.9 Contratlujo y flujo paralelo I 133
6.10 Funcion del evaporador I 137
6.11 Evaporadores de expansion seca y
evaporadores inundados I 137
6.1
6.2
6.3
Contenido I 9
de los evaporadores
11<10
Serpentin de expansion directa (ED) I 140
Evaporadores de ventilaci6n forzada J 142
Enfriadores de liquidos 1144
Enfriadores de casco y tubos I 144
Enfriadores de casco y serpentin, de
doble tuba, Baudelot y de tanque I 147
6.18 Capacidad y seleccion de los enfriadores
de Iiquldos I 148
6.19 La utilizaci6n de Ia energia y los
evaporadores 1 150
Preguntas de repaso I 151
Problemas I 151
6.12 Tipos de superficie
6.13
6.14
6.15
6.16
6.17
7 Condensadores y torres de enfriamiento 153
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
7.11
7.12
7.13
7.14
7.15
7.16
7.17
7.18
7.19
Funci6n y operacion del
condensador 1 153
Tipos de condensadores I 154
Condensadores enfriados por agua 1 154
Condensador de doble tubo I 155
Condensador de casco y serpentin I 156
Condensador
horizontal
de casco y
tubo I 156
Condensador vertical de casco y tubo 1157
Purga I 157
Condensadores enfriados pOl' aire I 158
Condensadores evaporativos I 159
Control de presion en el condensador /163
Control de la presion de descarga en los
con dens adores enfriados por aire I 163
Control de la presi6n de descarga en 105
condensadores evaporativos I 165
Control de la presi6n de descarga en los
condensadores enfriados par agua I 165
Rendimiento del condensador I 166
Capacidad y selecci6n de los
condensadores enfriados por agua / 167
Capacidad y selecci6n de los
condensadores enfriados por aire I 170
Unidades de condensaci6n 1172
Capacidad y selecci6n de unidades de
condensacion enfriadas por aire I 172
Torres de enfriamiento
7.20 Enfriamiento del agua por evaporaci6n
7.21 Estanques de enfriamiento y estanques
espreas 1174
7.22 Tipos de torres de enfriarniento 1174
7.23 Torres con tiro no rnecanico y mecanico
7.24 Disposicion del flujo del aire y del agua
1174
de
/174
/177
7.25
7.26
7.27
7.28
7.29
7.30
7.31
Materiales de construcci6n I 177
Control de la capacidad I 177
Operacion en invierno I 178
Phdida de agua I 178
Tratarniento de agua I 179
Temperatura de bulbo hurnedo I 179
Capacidad y seleccion de la torre de
enfriamiento I 182
7.32 Utilizacion de la energia en los condensadores
yen las torres de enfriamiento 1183
7.33 Recuperaci6n de calor en el condensador /183
Preguntas de repaso I 186
Problemas / 187
8 Dispositivos de control de flujo (de
expansion) del refrigerante
8.1
8.2
8.3
189
Objetivo del dispositive de control de
flujo / 189
Tipos de dispositivos decontrol deflujo/190
Valvula de expansion manual 1 190
La v:ilvuli de expansion termostatica (VET)
8,4 Construccion J 191
8.5 Funcionamiento
de la valvula de
expansion terrnostatica 1 192
8.6 EI efecto de la caida de presi6n en el
funcionamiento
de la VET I 195
8.7 La VET con igualador externo I 196
8.8 Valvulas limitadoras de presion i 198
8.9 La valvula de expansion terrnostatica de
carga limitada (de gas) / 198
8.10 La valvula mecanica limitadora de
presion, 1 199
8.11 Cicleo en el sistema y en la valvula 1 199
8.12 La valvula de expansion terrnostatica de
carga mixta / 200
8.13 Retraso term ico del bulbo I 201
8.14 Caracteristicas igualadoras de la presion 1201
8.15 Valvulas operadas pOl' piloto I 201
8.16 Localizaci6n e instalaci6n de la VET I 201
8.17 La valvula de expansion termoelectrica 1202
8.18 Valvula de flotador I 202
8.19 La valvula de expansion a presi6n
constante I 204
8.20 EI tubo capilar I 205
8.21 EI orificio I 206
8.22 Dispositivos de control de flujo y
utilizaci6n de la energia I 207
Preguntas de repaso I 207
Problemas I 208
10 I Contenido
9 Refrigerantes, salrnueras, aceites
contaminantes
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
y
209
Seleccion de los refrigerantes I 209
Propiedades que afectan el rendimiento
J 209
Comportamiento comparativo de los
refrigerantes I 210
Caracter isticas relacionadas con la
seguridad I 212
Caracteristicas relacionadas con la
operacion 0 el mantenimiento 1212
Deteccion de fugas I 213
Composicion del refrigerante { 215
Enfriadores secundarios (saJmueras) J 217
Aceites para refrigeraci6n
9.9 Objetivos de los aceites para
refrigeracion I 218
9.10 Cornposicion de los aceites I 218
9.11 Propiedades de los aceites para
refrigeracion I 219
9.12 Miscibilidad del aceite y el refrigeran te 1221
[:.
..
Contaminantes
9.13 Aire 1 222
9.14 Agua (hurnedad) I 222
9.15 Particulas extrafias I 223
9.16 Ceras, sedimentos y acidos 1 223
9.17 Cobrizado J 223
Preguntas de repaso { 224
10 Compresores y sistemas centrifugos 227
Construccion y principios de los
compresores centrifugos {227
10.2 Etapas del impulsor 1 228
10.3 EI cicio termodinamico y el sistema 1229
lOA Caracteristicas del funcionamiento del
compresor centrifuge:
estrangulamiento y fluctuacicn I 231
10.5 Control' de la capacidad 1 232
10.6 Maquinas centrifugas de
refrigeracion I 235
10.7 Lubricacion I 237
10.8 Refrigerantes I 238
10.9 Purga 1238
10.10 Con troles I 239
10.11 Capacidad y seleccion I 240
10.12 Conservacion de la energia 1 242
10.13 Enfriamiento sin costo 1242
Preguntas de repaso {243
Problemas { 244
10.1
r.
11 EI sistema de tuberias para el
refrigerante
11.1
11.2
11.3
11.4
Funciones
Lineas de
Lineas de
Lineas de
del sistema de tuberias
gas caliente J 246
succion J 250
Iiqu ido J 252
245
J
245
Determinacion del diametro de las tuberias
del refrigerante
11.5 Condiciones de disefio para las
tuberias del refrigerante { 255
11.6 Caidas de presion I 256
11.7 Diagramas para determinar el
diarnetro de la tuber ia / 260
11.8 . Longitud equivalente de la tuberia /262
11.9 Determinacion de los diametros de los
tubos verticales para asegurar el
retorno del aceite I 263
11.10 Dimensionado de la linea del liquido 1267
1Ll1 Dimensionado de la linea del
condensador I 268
11.12 Utilizacion de 1a energia I 268
Accesorios y valvulas de los sistemas de
refrigeracion
1l.13 Filtros secadores I 269
11.14 Indicadores de Iiquido I 270
11.15 Separadores de aceite I 270
11.16 Silenciadores de descarga 1 271
11.17 Recibidores I 272
11.18 Carnbiadores de calor entre liquido y
. succi6n I 272
1l.19 Acumuladores de succion I 272
11.20 Valvulas de solenoide I 273
11.21 Regulador de la presion de succion J 273
11.22 Regulador de la presion del
evaporador I 274
11.23 Valvulas de cierre manual 1 275
11.24 Valvulas Schrader I 276
11.25 Valvulas de retencion I 276
11.26 Valvulas de alivio I 276
11.27 Valvulas de inversion I 278
11.28 Materiales para las tuberias del
refrigerante I 278
11.29 Aislamiento de Ia vibracion I 280
Preguntas de repaso I 280
Problemas { 281
12 Refrigeracion a baja temperatura. Metodos
de descongelacion, La bomba de calor 283
12.1
Problemas de la refrigeracion a baja
temperatura 1 283
Contenido
12.2
12.3
12,4
12.5
12.6
12.7
12.8
12.9
Cornpresion de etapas multiples / 285
Sistema de compresi6n cornpuesta J 285
Eliminacion del sobrecalentamiento I 286
Subenfriamiento del Jfquido J 286
Sistema tipico de dos etapas y sus
componentes I 289
Sistemas de temperatura multiple J 291
Sistema compuesto para dos
ternperaturas J 292
Sistema en cascada I 293
Metodos de descongelacion
12.10 Necesidad de efectuar la descongelaci6n
1294
12.11 Descongelacion con aire (paro del cielo)
1294
12.12 Descongelaci6n con aire caliente I 295
12.13 Descongelacion mediante atomizacion
de Iiquldo I 295
12.14 Descongelacion con salmuera calien te J 295
12.15 Descongelacion con resistencia electrica
I 295
12.16 Descongelaci6n con gas caliente I 296
12.17 Drenaje del condensado I 301
12.18 Control de la descongelacion I 301
La bomba de calor
12.19 Principios I 302
12.20 Aplicaciones y ventajas I 303
12.21 Tipos de bombas de calor I 303
12.22 La bomba de calor de aire: el cambio
de refrigerante I 304
12.23 La valvula. de inversion J 304
12.24. Dispositivos de control de fujo I 306
12.25 Desviaci6n del aire I 308
12.26 Caracteristicas del equipo de la bomb a
de calor I 309
12.27 Usos de las bombas de calor I 310
12.28 Calentamiento suplementario I 311
12.29 Descongelaci6n de labombadecalor/311
13 Refrigeraci6n por absorcion
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
13.7
. 315
Los sistemas de compresi6n y de
absorci6n de vapor I 315
EI proceso de absorci6n I 316
El absorbedor y el evaporador I 317
Recuperaci6n del refrigerante J 319
EI generador y el condensador I 319
El cambiador de calor y los circuitos
de agua de enfriamiento I 321
Caracteristicas del absorbedor y del
refrigerante: cristalizacion I 321
I 11
Las rnaquinas de absorci6n de bromuro
de litio de gran capacidad I 323
]3.9
Control de la capacidad I 325
13.10 Funcionamiento a carga parcial y la
demanda de energia I 328
13.1] La grafica de equ ilibr io I 329
13.]2 Problemas de la cristalizacion I 329
13.13 Purga I 331
]3.14 Rendimiento y aplicacion I 333
13.15 La maquina de absorci6n de dos
etapas I 333
13.16 La maquina de absorcion de dos
etapas con aplicacion directa de
combustion / 334
13.17 Enfriadores .de absorcion de bromuro
de litio de baja capacidad I 335
13.18 EI sistema de absorcion de agua y
amoniaco I 335
13.19 Conservaci6n de la energia I 337
Preguntas de repaso I 338
13.8
14 La carga de refrigeraci6n:
Equilibrio de los componentes
341
14.1
14.2
14.3
14.4
La carga de refrigeracion I 341
Transmisi6n del calor I 341
Infiltracion del aire 1347
Carga de enfriarniento del
producto I 349
14.5 Calor de respiraci6n I 355
14.6. Cargas pOl' los ocupantes, la
iluminaci6n y los motores I 355
14.7 Formas impresas para calcular la
carga de refrigeracion I 355
14.8 .Metodos simplificados para
deterrninar la carga I 359
14.9 Seleccion del equipo de
refrigeraci6n I 361
14.10 La diferencia de temperatura del
evaporador y Ia humedad de la
camara I 364
Equilibrio de los componentes
1<1.11 Equilibrio. de los componentes del
sistema I 366
14.12 Funcionamiento del componente
individual I 366
14.13 Procedimientos para equilibrar los
componentes I 368
14.1'1 DesequiJibrio de los componentes y
las condiciones interiores I 370
Preguntas de repaso I 373
Problemas I 373
12 / Contenido
15 Sistemas de servicio eleetrico. Motores 377
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
. 15.8
15.9
15.10
Voltaje, corriente, resistencia / 377
Corriente directa y corriente alterna /378
Caracteristicas de la corriente alterna 1378
Inductancia y capaci tancia / 379
Relaciones del sistema electrico 1 380
Transformadores / 382
Caracteristicas del servicio electrico / 382
Proteccion del circuito 1 386
Fusibles I 386
Interruptor es de circuito / 387
Motores
] 5.11 Ti pos de motores / 390
15.12 Caracteristicas de los motores 1 390
15.13 Principios de operacion / 392
15.14 Motores monofasicos / 393
. ]5.15 Motor de fase dividida / 394
15.16 Los capacitores en los motores
monofasicos 1 394
15.17 Motor de fase dividida y capacitor de
arranque permanente 1 395
15.18 Motor de arranque por capacitor 1 395
15.19 Motor de arranque y operacion por.
capacitor I 396
15.20 Relevadores de arranque I 396
15.21 Motor de polo sornbreado / 398
15.22 Motores trifasicos / 398
15.23 Motores de alta eficieneia I 400
Preguntas de repaso / 400
16 Controles y proteccion de los motores,
. Sistemas de control en refrigeracirin 403
Controladores de los motores /403
Control del motor en motores
rnonofasicos pequeiios / 403
16.3 Contactores y arrancadores /404
16.4 Arrancadores magneticos 1 408
16.5 Proteccion contra la sobrecarga del
motor 1409
16.6 Dispositivos de proteccion contra la
sobrecarga del motor I 4]0
16.'1 Relevadores termicos de sobrecarga 1412
16.8 Protectores de sobrecarga de las lineas
de servicio internas y externas / 413
16.9 Protectores terrnostaticos de los
motores I 413
16.1
16,2
Controles de Ia refrigeracion
. 16.10 Objetivos de los controles de la
refrigeracion / 414
• 16.11 Tipos de sistemas de control/ 4]4
16.12 Operacion del dispositivo de control
(controlador) / 415
] 6.13 Controles de temperatura / 415
16.14 Con troles de presi6n /417
16.15 Control de falla de la presi6n del
aceite /417
15.16 Control diferencial 1419
16.17 Con troles proporcionales y
escalon ados I 419
]6.18 Diagramas de alambrado / 420
16.19 Simbolos del circuito de contrail 420
16.20 Circuito de control de un motor / 422
16.21 Control elemental del compresor de
refrigeraci6n 1 423
16.22 Control por vacio (baja presion) 1424
16.23 Control de un sistema DX I 425
16.24 Controles de estado solido 1427
16.25 L6gica del control de estado solido /427
16.26 Dispositivos de estado solido / 428
16.27 Circuitos logicos de estado solido 1 428
Pregu nlas de repaso / 431
Glosario
433
Apendices
Apendice 1 Abreviaturas y simbolos 1 441
Apendice 2 Unidades equivalentes (factores de
conversion) I 443
Apendice 3 Agua: propiedades del liquido y
del vapor saturado (unidades del
sistema Ingles) 445
Apendice 4 Refrigerante 11: propiedades del
Iiquido y del vapor saturado
(unidades del sistema ingles) 1 447
Apendice 5 Refrigerante 12: propiedades del
Iiquido y del vapor saturado
(unidades del sistema ingles) I 451
Apendice 6 Refrigerante 22: propiedades del
liquido y del vapor saturado
(unidades del sistema Ingles) I 455
Apendice 7 Refrigerante 502: propiedades del
Iiquido y del vapor saturado
(unidades del sistema ingles) I 459
Apendice 8 Refrigerante 717 (amoniaco):
propiedades del Iiquldo y del
vapor saturado (unidades del
sistema Ingles) J 463
Apendice 9 Refrigerante 12: propiedades .del
Iiquido y del vapor saturado)
(unidades del sistema Ingles) / 467
Apendice 10 Refrigerante 22: propiedades del
liquido y del vapor saturado
(unidades del sistema ingles) 1 469
Apendice 11 Refrigeranre 717: propiedades del
liquido y del vapor saturado
(unidades del sistema Ingles) / 471
indice
481
...
Capitulo
1
INTRODuccrON:
PRINCIPIOS FfslCOS 1
Las civilizaciones antiguas utilizaban la refrigeracion cuando se disponia de ella en forma
natural, Los emperadores romanos hacian que
Ios esclavos transportaran el hielo y la nieve
desde las montafias, con el fin de utilizarlos
para preservar alimentos y disponer de bebidas frias en la estaci6n calida, Por supuesto que
estas fuentes naturales de refrigeraCi6n eran
extremadamente
limitadas, si se piensa en su
ubicaci6n, temperaturas y la distancia que se
podian transportar. Alrededor del afio 1850
se empezaron a desarrollar los medios para
producir refrigeraci6n utilizando maquinaria,
a los quese les dio el nombre de refrigeracion
mecanica. Hoy en dia, la industria de la refrigeraci6n constituye un sector vasto y esencial de
cualquier sociedad tecnologica, con ventas
anuales de equipo que ascienden a miles de milIones de d6lares, s610 en los Estados Unidos
de Norteamerica.
2. Ideritificar las aplicaciones y usos de la refrigeraci6n y distinguirla del aire acondicionado.
3. Hacer la conversion de un sistema de uniclades a otro, y redondear los numer o en
forma apropiada.
4. Calcular la densidad, el volumen especifico y la densidad relativa.
5. Explicar la relaci6n entre presion y carga,
y entre presion absoluta, manornetrica y de
vacio.
6. Distinguir entre la energia y la potencia, y
entre la energia almacenada y la energia de
flujo, as! como describir las forrnas de
energia.
7. Explicar cual es la diferencia entre temperatura y calor y exponer la relaci6n entre
las esc alas de temperatura.
1.1 Usos de la refrigeraci6n
Es conveniente
clasificar las aplicaciones de la
refrigeracion en las siguientes categorias: domestica, comercial, industrial, y de ail-e acondicionado (figura 1_1)_A veces se considera a la
refrigeraci6n aplicada al transporte como una
categorfa aparte. La refrigeracion dornestica se
utiliza en la preparaci6n y conservacion de los
OBJETIVOS
EI estudio
1. Definir
de este capitulo perrnitira:
la refrigeracion
lizados para obtenerla.
y los metodos uti-
13
r
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14 I Introduccion
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Objetivos I 15
fabr icacion de hielo y para enfriar
bebidas en el hogar. La refrigeracion comercial se u tiJiza en las tiendas de venta al menudeo, restaurantes e instituciones, con los
mismos fines que en el hogar. La refrigeracion
industrial es necesaria en la industria ali mentaria para el procesamiento, preparacion y preservacion en gran escala. Aqui se incluye su
utilizacion en las plantas de enfriamiento y
congelacion de alimentos, camaras frigorificas, cervecerias y lecherfas, para citar solo unas
pocas aplicaciones. Cientos de otras industrias
utilizan la refrigeracion, entre elias se encuentran las plantas para la fabricacion de hielo,
refinerfas de petroleo y plantas de la industria
farrnaceutica. Por supuesto, las pistas de parinaje sobre hielo tambien utilizan la refrigealimentos,
racion.
La refrigeracion tambien seusa extensamente tan to en el aire acondicionado para elconfort
de las personas, como en el aire acondicionado para uso industrial. EI aire acondicionado
industrial se utiliza para crear la temperatura,
humedad y Iimpieza del aire necesarias en los
procesos de fabricacion, Las computadoras precisan de un ambiente controlado.
1.2 Metodos de refrigeracion
La refrigeracion, conocida corminmente como
un proceso de enfriamiento, se define mas correctamente como la remocum de calor de una sustancia para lleoarla 0 manienerla a una temperatura
conuenientemente baja, inferior a la temperatura
del ambiente. EI metodo mas extensamente
usado para producir la refrigeracion mecanica se conoce como el sistema de compresum de vapor. En este sistema, un refrigerante liquido
volatil se evapora en un euaporador; este proceso
da por resultado una remocion de calor (enfriamiento) de la sustancia que se debe enfriar.
Se requiere un compresor y un condensador a
fin de mantener el proceso de refrigeracion y
recuperar el refrigerante para su reutilizacion.
Otro metodo ampliamente usado, se conoce como el sistema de refrigeracion por absor-
En este proceso el refrigerante se evapora
(como en el sistema por cornpresion de vapor),
pero la evaporacion se mantiene absorl>iendo
el refrigerante en otro fluido. Posterior:mente
se explicara como funcionan los sistemas de
refrigeraci6n por com presion de vapor y por
absorci6n.
Entre otros metod os de refriger acion se incluyen: Ja refrigeracion termoelectrica, la de cho1'1'0 de vapor, y por ciclo de aire. Estos sistemas solo
se usan en aplicaciones especiales, y su fu ncionamiento no se explicara en esta obra. La refrigeracion termoelectrica es todavia bastante
costosa; algunos pequerios refrigeradores portatiles para uso dornestico utilizan este metoda. La refrigeracion por chorro de vapor es
ineficiente. Anteriormente esta se utilizaba con
frecuencia en los barcos, pero se ha susti tuido
en gran parte por el sistema de cornpresion de
vapor. El cielo de aire se utiliza ocasionalmente en los equipos de aire acondicionado en las
cabinas de los aviones. La refrigeraci6n a ternperaturas extremadamente bajas, inferio res a
aproximadamente -200°F (-130°C) se conoce como criogenica. Se utilizan sistemas especiales para alcanzar estas condiciones. Uno de los
usos de la refrigeracion a ternperaturas extremadamente bajas se refiere a Ia separaci6n del
oxigeno y del nitrogeno del aire, para proceder a su subsiguiente licuefacci6n.
cum.
1.3 Equipo de refrigeraci6n
Los principales componentes del equipo de refrigeracion por compresion de vapor son: evaporador, compresor y condensador. El equipo
puede estar constituido par componentes separados 0 puede ser del tipo integral (llamado
tambien auumomoi. El equipo integral se ensambla en la fib rica. El refrigerador d6mestico es
un ejemplo cornun de un equipo integral. Entre las ventajas obvias del equipo integral se
tiene que es mas cornpacto y men os costoso de
fabricar en gran des cantidades.
Existe una variedad de equipos comerciales
de refrigeracion, teniendo cada uno de ellos
16 I Introduccion
su fu ncion especifica. Los estanies n:frigerados,
cameras ji-igoTifir:asy exhibidores se u tilizan mucho
en los establecimientos de venta de alimentos.
Los equipos de fabricaci6n automatica de hieIn, enfriadores de agua potable y las maquinas
ele venta de rnercancias refrigeradas son equipos que se encuentran conuinrnente.
No se trataran los detalles de los equipos especializados, exce pto en 10 que puedan afectar a la pracrica general. Es posibie hallar un
excelente aualisis de las caracterisricas de los
equipos de refrigeracion comercial en los vohimenes de aplicaciones de 1983 y de equ ipos
de 1982, que se hallan en el Manual de la
ASHRAE.
'L .
La materia a tratar en esta obra cubre la refrigeracion pem no el aire acondicionado. Debido a que se utilizan equipos sirnilares tanto
para enfriar el aire can fines de confort como para otros usos, no se establece distinci6n
alguna al principio del estudio de los fundamentes de la refrigeracion. Las diferencias en
la practica y en el equ ipo que impliquen diferentes temperaturas y usus se iran seiialando
a medida que se vaya desarrollando la expo·
sir ion.
EI aire acondicionado incluye el calentamien to, enfriam iento, humidifi caciori, desh u·
midificacion
y limpieza (filtracion) del aire en
los arnbientes interiores. Ocasionalmente sera
necesario mencionar ciertos aspectos del aire
acondicionado cuando se trate de la linea clivisoria entre los dos casos, pero no se intentara
seguir adelaute, Un estudio de las caracteristicas fundamentales
y del equipo que interviene
en el aire acondicionado resultan sin embargo de u n gran valor, aun para aquellos cuyo
interes principal es la refrigeracion,
PRINCIPIOS FISICOS
Para com prencler la refrigeracion se requ iere
un conocimiento basico de In fisica aplicada.
En este capitulo )' en el siguiente se explican algunos principios de fisica y se proporcio nan
ejernplos de su aplicacion a la refrigeraci6n.
EI material que se presenta no es suficiente para
sustituir un curso de fisica, pero es adecuado
para las necesiclades presentes. En el casu de
los lectores que tienen un eonocimiento razonable de la fisica, este capitulo Ies servira de
repaso, 0 hasta podran omitirlo.
1.4 Unidades y conversiones
Las magnitudes normativas, lIarnadas unidades,
se establecieron con el fin de medir la cantidad
de cualquier caracteristica fisica. Por ejemplo,
el pie es una de las unidades normativas utilizadas para medir la caracteristica de la longitud.
Existen muchas unidades diferentes para
medir la misma caracteristica fisica. Estas unidades tienen una relacion fija entre si, llamadas equiualencias 0[actores de conversion. Se tienen
• entre los ejemplos mas comunes:
Unidades equiualentes
Caracteristica
(Factores de conversion)
Longitud
1 ple
Volumen
Tiempo
1 pie'
1 minuto
(min)
libras
Masa
12 pulgadas (pulg.)
0.30 metros (m)
7.48 galones (gal)
60 segundos (seg)
1 kilogramo
(kg)
2.2 (lb)
En el apendice 2 se proporciona una Iista
de equivalencias utiles, En el apendice 1 apa·
reee una lista de las abreviaturas y simbolos
usados en esta obra,
Conversion de unidades. La equivalencia entre
cualesquiera dos unidades tambien se puede
expresar como una razon, al dividir ambos
miembros de la igualdad entre uno u otro de
los terrn inos. Por ejemplo, en el aperidice 2, la
relaci6n entre el area expresada en pies" 0
pulg2 es 1 pie2 = 144 pulg2. Al dividir ambos
miembros de la ecuacion entre 144 pulg2 se
obtiene:
Principios fisicos 1 I 17
144 pulg2
144 pulg2
0,
dividiendo
1
144 pulg2
.
area
1 pie!!
144 p.u-l.g-
')
entre 1 ple~:
. ?
1 ple~
144 pulg '
.?
1 pie2
1 pre"
=
Esta es la cantidad de aislamiento necesaria
para cada panel.
1
Esta ordenacion se utiliza cuando se desea
cambiar la unidad en la que esta expresada una
magnitud, a una unidad diferente. EI procedimiento se lleva a cabo de la manera siguiente:
1. Ordenar la equivalencia entre las unidades
(factor de conversion) como una razon, escogiendo la razon que de los resultados en
las unidades deseadas, al eliminar unidades
que son iguales en el numerador y el denominador (las unidades se pueden multiplicar y dividir de la misma manera que los
mimeros).
2_ Multiplicar la cantidad original por la razon. El resultado sera el valor correcto expresado en la nueva unidad. ,
Un detalle importante que se debe.observar
en este ejemplo es que en la conversion de unidades siernpre hay dos posibles razones que se
pueden usar, En el caso anterior se terria:
1 pie \1
144 pulg2
---'~-."...
6 ---'--....".=.144 pulg2
1 pie2
S610 una de las dos razones es correcta. S i se
hubiera usado la otra razon, el resultado hubiera sido:
area
Ejemplo 1.1 Los paneles de unos exhibidores de
alimentos congelados requieren aislamiento.
Estos paneles miden 28 pulg por 33 pulg. Dicho
aislamiento se debe ordenar en pies cuadrados.
~Cml.les la superficie de aislamiento necesaria
para cada panel?
EI area del aislamiento de cada pa-
nel es
.
?
area = 28 pulg x 33 pulg = 924 pulg-
EI area no esta expresada en las unidades
apropiadas. La equivalencia entre las unidades conocidas y las requeridas es de 1 pie" =
144 pulg2 (apendice 2). Estos valores se ordenan como una razon, se multiplican y se eliminan unidades como se muestra enseguida.
924 pulg2 x
144 pulgl1
2
1 pie.
pulg"
133.000 _.:....__=--piel!
EI siguiente ejcmplo ilustra el procedimiento para convertir unidades.
Solucion
x
Obviamente esto es incorrecto debido a que las
unidades resultantes no son pies cuadrados. El
estudiante debe adoptar el habito de siempre
escribir las unidades al efectuar los calculos,
El procedimiento para cambiar unidades es
el mismo cuando es necesario carnbiar mas de
una unidad, como se muestra en el siguiente
ejernplo.
Ejemplo 1.2
Un fab'ricante de los Estados Unidos embarca hacia Venezuela un condensador
enfriado por aire, con una nota que indica que
lila velocidad de disefio del aire es de 600
pies/min." EJ contratista que instalara el condensador desea informar al ingeniero encargado del equipo, cual es la velocidad en metros
por segundo (m/seg). ~Que informacion se debera suministrar?
18 I Introduccion
SO/lIri(ill
Se tendra que utilizar tanto el factor de conversion de pies a metros CO III 0 el
factor de rn inu tos a scgundos. Si se orde nau
las razones en tal forma que se obicngan las
u nidudes correctus en el resultado. y se mult iplj ca, se riene:
velocidad
O.:W
x
s.o
III
111
->
s
Factores de conversion combinados.
EI ejem plo
1.2 implicit la conversion
de unidades ell pies
segundo a metros pOl' segundo. Esto es, se
con vi rt ieron dos II n idades pOl' separado, para
lu lo ngitu d y el t iernpo. Es couvenierue
cornbinar dos () m.is conversioues
en una sola, para
las GISOS de usn CO 111l'l n. En este caso la conversion de la velocidad, de unidades en pies por
m inuto a metros por segundo es
pOI"
.r
';
.
pIC
min
I
_p.Ur x .l--H-ri1l .x O.:W
GO
J).H-tr
S
III
~
III
0.005 -
s
Es(O es, I pie/min = 0.005 m/seg. De Ia misma
mnnera, el estudiunre podra desarrollar
facil·
mente factores de conversion combinados, En
<:'1apendice 2 se muestran
algunos de e11os.
Las unidades U.S. y Sf.
Hay dos sistemas cornunes de unidades que se utilizan en todo el mundo. Uno se counce como el sistema de un idades
ll.S .. I/.\'II(/{ 0 illglt;s. y el 0(1'0 es el de las u nidades Sl (sistema inrernacional).
Las unidades
LJ.S. se ut iliznu rudnviu en los Estados Uni dos
para hacer los r.ilculos de refrigeracio n. en tanto que en ln rna voria de los demas pnises se ut ilizan las unidndes S1. Los Estados Unidos se
han cornprometido
a cambial' a las un idades
51, pero es posible que esto tome mucho tiernpo todavia, En esta obra se utilizan ambos sistemas de un idades, pero se cia preferencia
al
sistema U.S. No obstante, las unidades SI se introducen de dos maneras. En algunos ejemplos
y tablas, las unidades se convierten de U.S. a
51 () viceversa. En algunos casos se dan ejernplos y se resuelven problemas en unidades S1.
De este modo se continuara
con el proceso de
apreridizaje,
ya que aquellos estudiantes
que
deseen empezar a trabajar con las unidades SI,
podran hacerlo sin problemas.
EI sistema de unidades 51 utiliza solamente
una unidacl de medici6n para cada caracter istica fisica. POl' ejemplo, e1 metro es la unidad
patron utilizada para la longitud. Por consiguiente, generalmente
no es necesario efectuar
la conversion de un tipo de unidad a otro. Los
multiples de 10,100, y asi sucesivamente, se utiIizan para indicar magnitudes grandes y peque·
nas. Por ejemplo, I kilornetro (km) = 1000 m, y
1000 milimetros
(mm) = 1 m. (El prefijo kilo
significa mil y el prefijo mili significa una milesirna. ) Cornparese esto con las diferentes uniclades utilizadas para la Iongitud en el sistema
U.S. (pulgada, pie, yarda, milla), asi como las
equivalencias numericas irregulares entre cada
unidad (por ejemplo, 36 pulg = 1 yd).
En el aperidice 2 se incluyen factores de conversion tanto para las unidades U.S. como para
las SI. EI sistema SI es parte de un sistema mas
amplio Ilamado el sistema metrico, S610 algunas
unidades del sistema metrico son patrones en el
sistema S1. POI' ejemplo, 13unidad S1 para la Iongitud es el merro, y no el centimetre ni el kilornetro. Ocasionalmente
se utilizan unidades metricas que no son unidades patron SI, debido a que
es practica CDl11lll1 en la industria de la refrigeracion en los paises qu e tl tilizan el sistema SI.
1.5 Masa, fuerza, peso, densidad
y volumen especifico
La masa (in) de lin objeto 0 cuerpo es la cantidad de materia que cOlltimf. La 1I11idad u.s.
Principios fisicos 1 I 19
de masa es la libra masa. La unidad S1 es el
kilogramo.
La Juerza es el empuje 0 atraccion que u.n
cuerpo ejercesabreotro. La unidad U.S. de[uerza es la libra[uer:a. La unidad S1 es el Newton (N).
El peso (w) de un cuerpo es la [uerza ejercida sabre el mismo par La atracciongrauitacional de la tierra. Esto es, el peso es una [uerza
y no una masa.
v
volumen
m
(] _2)
La densidad y el volumen especifico de una
sustancia puede variar can la temperatura y la
presion, especialmente en el caso de los l iquidos Y los gases. En la tabla 1.1 se muestran las
densidades de algunas sustancias.
La masa, densidad y volumen especifico son
ejemplos de las propiedades de una sustancia.
La propiedad de una materia es cualquier caracteristica fisica a cualidad que posea. Entre otras
propiedades de las sustancias que tienen importancia en la refrigeracion, se encuentran
la presion, temperatura, entalpia y calor especifico. Estas propiedades se definirari en
breve.
Desafortunadamente, la palabra peso se utiliza a menudo para expresar la masa de un
cuerpo. Tambien existe confusi6n debido a
que la palabra libra se utiliza tanto para la masa
como para la fuerza en el sistema ingles. Sin
embargo, el valor numerico en libras de la rnasa y el peso de un objeto en el sistema ingles
es el mismo, y par consiguiente no existe error
en los calculos. En cualquier caso, la naturaleza del problema indica par 10 general si se esta considerando la masa a el peso.
Ejemplo 1.3 Antes de proceder a la instalaci .:1
de una torre de enfriamiento en un techo, el
contratista informa al ingeniero de estructuras cual sera la masa de agua en el deposito de
I~to~re, que se habra de tomar en cuenta para
diseriar el techo. EI deposito de la torre es de
15 pies par 10 pies en planta, y se debe llenar
con agua hasta una altura de l.5 pies (figura
Densidad y uolumen especifico
La densidad (d) es La masa por unidad de uo-.
lumen de una sustancia. El volumen especifico (v) es el reciproco de La densidad.
1.2).
Soluci6n La masa de agua en el tanque se
Esto es
d :::
m
volumen
halla mediante la ecuaci6n 1.1, despues de
calcular el volumen de agua. La densidad
aproximada del agua se muestra en la tabla 1.1.
(l.1)
Tabla 1.1 Propiedades ffsicas de algunas sustancias
Sustancia
Densidad
Iblpie3 kglm3
Agua
Hielo
Vapor
de agua
Aire
Mercurio
62.4 1000
60.1 962.8
57.2 916.3
(ver el
apendice 3)
0.075 1.20
849.0 13,600
Calor especifco
Notas
Btu/lb- OF kJlkg-OC
1.0
1.0
0.50
0.45
4.19
4.19
2:09
1.88
0.24
0.24
1.01
A 39°F (4°C)
A 20QoF(93,3°C)
Para el vapor de agua en el aire
A 68°F (20"F) Y 14.7 II:I'pulg2absolutas (1 atTn)
A 32°F (O°C)
~"!
• ,fl,·
;'
H
20 I Introduccion
EI valor de la densidad relativa puede earnbiar ligeramente con la temperatura, pero para
la mayoria de los calculos, los valores deterrninados porIa ecuacion 1.3 son satisfactorios.
1.5 pies
Aqua
Ejemplo 1.4
Una salmuera para refrigeracion
(agua salada) tiene una densidad de 69.5 lb/pie'
cClliil es su c1ensidad relativa?
Solucion
Figura 1.2 Esquemacorrespondienteal ejemplo 1.3.
d.r. ==
\'OIUllH:'1l
III
se ohtiene
11/
=
69.5
62.4
== 1.1 I
mediante
AI determinar
los resultados de las mediciones
() dlculos cIe los datos, es preciso tornar decisiones oon respecto al 1111l11erOde ciiras sigllifi·
ratiuas a urilizar en los valores nurnericos. EI
la
Ib
")
I
()_·"t-.-'I
d x volu men
.
1.1 '
eCU;!Cillll
pie'
'I
I--I-,O-HJ lb
Densidad relatiua
'La densidad relativa id.r.) df'
1111
liquido
.\'('d,:rim' (01110 1(/ rl'l(/(i!J/I "litre SII densidad _)'
10 drusidad de II/I (10111111/'11igllal de aglla, (/
JY"E
La densidad
del agua a 39tlF es de 62.4
lb/pie:', de munern que la densidud relativa es:
(/.1',
d
d
d.;
ti~,-t
en clonde
d
62.4
=
1.6 Exactitud de los datos
') )_
d;
d
1,3
1!l pies x 1() pies x 1.5 pies
X _~:) pIes'
=
la ecuaci6n
Se utiliza
de naidud de 1;1 susrancia. en lbipie'
densidad del agua a 39"F, 62...! lb'pie'
procedimiento se conoce como "redondeo".
Supongase, por ejernplo, que el resultado de
algunos calculos es uri valor de 207.4 kilowatt
(k"V), que es la potencia necesaria para accionar un compreso)' de refrigeracion. Se dice que
este nt1111e1'O tiene cuatro cifras significativas
() cuatro lugares de exactitud, debido a que se
COBOceel vnlor del cuarro digito a partir de la
izquierda. EI numero se puecIe utilizar para seIeccionar un motor. y luego medir su consumo
real de energia. ;\;0 obstante, ni la capacidad
nominal del motor n i la mayoria de los instrumemos de medicion pueden dar un valor tan
precise. Las capacidades nominales de los instrumeuros y equipo solo son exactos dentro del
I al :'> pOI' ciento de los valores dados, y pOl'
consiglliente, no tiene caso calcular 0 medir los
datos con un numero excesivo de cifras significativas, Los datos en los calculos de refrigeracion generalmente se redondean (esto es, se
reduce el nurnero de cifras significativas) a tres
o cuauo lugares, y a veces hasta ados lugares.
Si se redondea 207..1 a tres lugares, se registrar.i como 207 kW, :- si se redondea a dos lugares, 210 k\\'. En tanto no se tenga la suficiente
Principios ffsicos I I 21
habilidad para redan dear cifras corr ectamente, se deben usar los ejemplos numericos
del
libra como guia.
1.7 Presion
La presion (p) se define como la [uerza (F)
ejercida par unidad de area (A).
Figura 1.3 Esq uerna
correspondiente
al
ejemplo1.4
2 pies
En forma de ecuacion, se tiene:
fuerza
p =
area
=
F
A
Si se mide la fuerza en libras y el area en pies
cuadrados, las unidades de presion seran
P
=
.
p
( 1.4)
F
Ib
A
.
r=:
'J
Si se mide la fuerza en l ibras y el area en pulgadas cuadradas, las unidades de presion seran Iibras par pulgada cuadrada. La unidad patron
para la presion en el sistema 51 es el pascal (Pa),
que equivale a 1 N/m2• En los calculos de refrigeracion, sin embargo, se utilizan can frecuencia otras unidades metricas de presion, tales
como el milimetro de mercurio (mm Hg; Hg es
la abreviatura del mercurio) y la atmosfera (atm).
En el apendice 2 se proporciona una lista de los
faetores de conversion para estas unidades.
Ejemplo 1.5 Un tanque de almaeenamiento de
agua heJada, utilizado en un sistema de enfriamiento par energia solar contiene 3000 Ib de
agua. EI tanque tiene 3 pies de Jargo par 2 pies
de ancho. ~Cual es la presion que se ejerce
sabre el fondo del tanque en libras par pie
cuadrado?
Solucion En Ia figura 1.3 se muestra un esquema del tanque. Se utiliza la eeuaci6n 1.4
para hallar la presi6n. La presion se ejerce
sabre u n area de 2 par 3 pies, 6 6 pies2• La
fuerza que actua sabre el fondo es el pew
total del ag-I.la.
F-
3000 113
:'00 Ih/pie~
A
En la figura J.4 sc ilustra la relaciori entre la fuerza y la presion. En este ejemplo,
se distribuye una Iuerza de 3000 Ih sobre el
area de 2 x 3 pies. La presion esta fepre·
sentada por la fuerza sobre cada una de las
seis areas de I pie x 1 pie, 0 sea SO()
lb/pie '.
Las presiones de los liquidos y los gases
revisten una gran importancia en los calculos de refrigeraci6n. Como ejernplos se tienen la presion del gas en un compresor y
la presion desarrollada en una bornba.
Presion absoluta, manotnetrica y de vacio. Un espacio del que se ha evacuado todo el gas 0 Ifquido (un vacio total) tiene presion cero. La
presion ejercida par un fluido por encima del
Fuerza total = 3000 Ib
Presion = fuerza sabre cada pie cuadrado
= 500lb
5COIb
1
500 tb
5001g...~
~X/
500 Ib
500lb/
- __
~./
1 pie
~-_
1 pie
./
./'
1 pie
../'
1 pie
1 pie
Figura 1.4 Presion ejercida sabre el fonda del tanque. La tuerza total as de 3000 lb. La presion, la fuerza
aplicada sabre cada pie cuadrado, es de 500 lb.
22 I Introduccion
valor cero se conoce como su presion absoluta,
(Pahs)- Esto se ilustra en la figura 1.5.
El aire atmosferico sobre la Tierra ejerce
una presion (P'llm) a causa de su peso. Se ha
medido la presion que ejerce el aire al nivel
del mar, y se ha hallado que es de aproxirnadamente 14.7 Ib/pulg2 absolutas, pem se apar·
ta Iigeramente
de este valor segun las
condiciones atmosfericas. La presion atmosferica tambien disminuye a mayores altitudes sobre el nivel del mar, debido a que el peso del
aire que acnia sobre la superficie es menor. Por
ejemplo la presion atmosferica en Denver, Colorado, es aproximadamente de 12.23 Ib/puJg2
abs.
Los instrumentos medidores de presion se
construyen par 10 general para meclir la diferencia entre la presi6n de un fluido y la presion atmosferica, y no la presion absoluta del
fluido. La presion medida por encima de la
presion atrnosferica es la presion manometrica
(Pm). En la figura 1.5 se muestra Ia relacion entre las presiones absoluta, atmosferica y manometrica, la cual es:
Pabs
=:
Palm +
indiquen cero cuando esten someticlos a la pre·
sion atmosferica. La figura 1.6(a) muestra la caratula de un nuuunnetro tipico de compres ion.
Un manornetro de presi6n conectado ala descarga de una bomba de una torre
de enfriamiento en una empresa de San Francisco, Cal., indica 18 Ibfpulg2• (Cmil es la presion absoluta en la descarga de la bomb a?
Ejemplo 1.6
El manornetro de presion indica
Ia presion manornetrica (por encima de la
atmosferica). San Francisco esta al nivel del
mar, de manera que la presi6n atrnosferica
es aproxirnadamente
de 14.7 Ib/pulg" abs.
Se utiliza la ecuaci6n l.5:
Solucum
;t-
Palm = 18 Ib/pulg2
14.7 IbfpuIg2
32.7 Ib/pulg2 abs
Cuando un fluido ejerce una presi6n inferior a la presion atmosferica, la diferencia con
la presion atmosferica se llama presion de uacio
(Aae). La relacion entre ias presiones absoluta, atmosferica y de vacio, que se muestra en
la figura 1.5, es
(1.5)
Pm
Pm +
Pabs
Es conveniente usar la presi6n manornetrica, debido a que Ia mayoria de los instrumentos medidores de presi6n se calibran para que
Pabs
=:
Palm -
P"ac
~--l
Presion que sa desea medir
(por encima de la atrnosterlca)
I
P.b'
Pg
Presion alrnosferica --,--4----.L.-----------;,---
t
P.rm
P~ac
T_j_-P'b'
Cero presion _-L_..J....
Figura 1.5 Helacion entre Jaspresiones absoluta,
manometrica y de vacio.
...I1
_
Presion que se desea medir
(por debajo de la atrnosterlca)
0.6)
Principios fisicos I ( 23
Algunos manornetros
se construyen y calibran para indicar tanto la presion del vacio
como la manornetrica. Este tipo de manornetro, el cual se muestra en la figura 1.6(b), se Ilarna manometro compuesto.
Ejemplo 1.7 Los manornetros de presion conectados en la succi6n y la descarga de un cornpresor de refrigeraci6n indican 8 pulg Hg vac
(un vacio de 8 pulgadas de mercurio) y 60
Ib/pulg2 manometrica respectivarnente. ~Cuanto
aumenta la presi6n del refrigerante en Ib/pulg2
debido a la acci6n del compresor?
Soluci6n Antes de halIar el aumento de pre·
si6n, las dos presiones deberan expresarse
en las misrnas unidades. Mediante el uso de
los factores de conversi6n apropiados (apendice 2) para cambiar la lectura del manornetro de succion a Ib/pulg ':
presi6n de vacio de 8 pulg de
Hg x
=
1 Ib/puIg2
2.04 pulg Hg
3_9 Ib/pulg2 de presion de vacio
t
Presion
atmosferica
(a)
Figura 1.6 Man6metros de presion. a) EI rnanornetro de compresi6n indica solamente la presion manornetrica. b) EI manornetro compuesto indica la
. presion manornetrica y la de vaclo,
Debiclo a que la presion de succion es in lorim- a la atmosferica (vacio) y la presio n clc
descarga es superior a la aunosferica
(Ill anometrica), es precise surnar las prcsioncs ])(lra
hallar el aurnento de presion, como se rrru estra en la figura 1.7.·
aurnento
de presion
GO Ih/pulg2
+ ~UlIh/pul142
=
63.9 Ih/pu 1142
Este resultado se expresa con tres cifras sig-nificativas. En muchos casos como este es conveniente redondear el resultado ados cifras, esto
es, a 64 lb/pulg '.
Los man6metros de presion compuestos son
particularmente utiles en las mediciones de rcfrigeraci6n, debido a que las presiones en las
lineas de succion a los compresores frecuentemente son inferiores a la presion atmosferica.
En el ejemplo anterior se expreso una de las
presiones como la altura de una columna de Iiquido (pulg Hg). En la siguienLe seccion se da
una explicaci6n de como se calcula este tipo
de unidad.
t
Ib)
Presion
atrnosterica
24 I Intr-oduccion
Presion de
succicin,
3.9 IbfpLlIg2
de vado
Presion de
descarga
60 Ibfpulg2
man.
Presion de descarga
60 psig
63.9 psi
Presi6n atmosfertca:
3.9 Ibfpulg2 de vacio
Presi6n de succi6n
Cera presion
Figura 1.7 Esquema correspondiente al ejemplo 1.7.
A menu do es conveniente usar estas unidades, si bien se pueden usar otras en la misma
ecuacion,
1.8 Presion de una columna
de Iiquido
Un liquido ejerce una presion debido a su pe·
so, y el peso depende de la altura de la columna del liqu ido. La relacion entre la presion
ejercida y la altura, como se muestra en la figura 1.8 es:
p
d x H
(1.7)
d
l-J
=
La densidad del agua es aproximadamente de 62.4 lb/pie", Se utiliza 1a ecuacion 1.7:
.
Solucion
en donde
p
Ejemplo 1.8 Un tuba vertical de 300 pies de
longitud en un edificio de oficinas esta Ileno
de agua helada. ~Cual es la presion manornetrica en libras par pulgada cuadrada que se
ejercera sobre una valvula en la parte inferior
de 13 linea?
presion ejercida pOl' eJ liquido, Iblpie2
densidad del liquido, lb/pie '
al tu ra del liqu ido, pies
P
dxH
p
62.4
lb x 300
18,720
pie"
l.b')
r=:
pie
X
Uquido de densidad d
130 JbJpulg2 man.
Figura 1.8 Presion ejercida por una columna de Iiquido. La presion se puede expresar como "carga"
(altura del Jiquido).
La relacion entre la presion y 1a altura de
un liquido se utiliza en los instrumentos medidores de presion que tienen una columna de
liqu ido. En la figura 1.9 se muestra uno de estos instrumentos,
conocidos como manornetros, En la figura 1.9 (a), la presion ejercida en
los dos brazos del manornetro {presion atmos-
PERTENECE
A: _
CENTROAMERICANA J. S. CAN,~S
\"I UN!VERSIDAD
,.....,.
-_,.
- ,,'ml",
.,~~.
E i!""" .. "
d i ~=5 L~ ~~,"i g - iW.I..:. ....
I"? FLORENTINO 100[\.'1'£, S. J."
l
Palm
l
~_I--'
Pr-incipios ffsicos 1 / 25
Pulm
Palm
t
~
H
(a)
H
(b)
(c)
Figura 1.9 Manornetro utilizado para medir la presion. a) Igual presion (atrnosterlca) en ambos brazos. b) La lectura de la presion del tanque es
superior a la atrnosterica. c) La lectura de la presion del tanque es inferior a la atmosterica.
ferica) es Ia misma, de manera que el liquido
esta al mismo nivel, En Ia figura 1.9 (blla presion en el tanque es superior a la atmosferica,
de manera que el liquido esta a mayor elevacion
en el brazo no conectado al tanque. En la figura }'9 (c) la presion en el tanque es inferior' a
Ia atmosferica (presion de vacio), de manera
que el liquido esta a una mayor elevacion en
el brazo conectado al tanque.
""
pabs = palm - pvac
Pabs =
760 - 700 = 600 mm Hg
Para convertir
pabs
,
= 60 mm Hg
,1
a kilopascales
133.3 Pa
X ----
mm Hg
1 kPa
X ----
1000 Pa
Ejemplo 1.9 Se procede a evacuar los gases del
evaporador de un equipo de refrigeracion utilizando una bornbade vado, a fin de que se
pueda cargar con refrigerante. EI tecnico cornprueba cual es la reducci6n de la presion. utilizando un rnanornetro de mercurio (Hg). La
lectura del manornetro es un vacio de 700 mm
de Hg. c:eual es la presion absoluta en el evaporador, expresada en las siguientes unidades,
a) kPa; b) atrn; c) Ib/pulg2?
=
8.00 kPa
Para convertir a atm:
pabs =
=
60 mm Hg x'
I arm
'
760 mm Hg
0.079 atm
Para convertir a Ib/pulg2:
Pabs
Solucion Primero se debe convenir la pre·
sion de la lectura, de presion de vacic a
absoluta. La presion atmosferica es aproximadamente de 760 mm Hg (esto se tratara
mas adelante). Se usa la ecuaci6n 1.6.
(kPa):
60 rnm Hg x
14.7 Ib/pulg2
760 mm Hg
1.16 Ib/pulg2
El barometro (ilustrado en la figura 1.10 es un
manornetro especial utilizado para medir la
26 I Irrtroduccion
L, altura
"p",,_m, I,
1
Mercurio
Figura 1.10 Un barometro (man6metro utilizado para medir la presion atrncsferlca).
.
;i
!;;; .
i:
presion atmosferica del aire, en el que se utiliza el mercuric. El tubo se evaeua de modo que
Ia. presion atmosferica no actue sOb.re la p~rte
superior de la columna de mercuno. Debldo
a que la presion atrnosferica acnia sobre la parte inferior del mercurio, la altura a la que se
eleva la columna de mercurio representa la
presion atrnosferica.
Ejemplo 1.10 (Que altura tendr ia la columna
de mercurio en un barometro, tanto en pulgadas como en milimetros de mercurio, en un lugar en donde la presion atrnosferica es de 14_7
Ib/pulg2 y la temperatura de 32°F (0°C)?
/.
Solucum Se utiliza la ecuacion 1.7 con las
unidades apropiadas, teniendo en cuenta ~u~
la densidad del mercurio es de 849 lb/pie
32°F (tabla 1.1)
14_7
Palm
Ib
~
X
pulg '
144 pulg2
. ')
1 ple-
1 pie
=
29.92 pulg Hg x
ee
760 mm Hg
j.,..,....,..~=""
presion "~"''''~
12 pulg
2.49 pies Hg x
Espacio
evacuado
25.4 mm
1 pulg
Carga A menudo resulta conveniente expre·
sar la presion en 'unidades de carga. La cm'ga
hidrostdiica es el equivalente de la altura de
la columna de l iquido (H) expresada en la
ecuacion 1.7. En el ejemplo 1.10, en lugar de
indicar que la presion atrnosferica era de 14.7
lb/pulg ', se pudo haber dicho que era de
29.92 pulg I-Ig 0 760 mm I-Ig. En el ejemplo 1.9
tarnbien se hubiera podido expresar de las dos
maneras, p = 3.9 Ib/puIg2 = 8 pulg I-Ig.
Esto es, realmente no es necesario tener una
columna de liquido para poder expresar cualquier presion en unidades de carga. La ecuacion 1.7 se puede usar para convertir a la presion
expresada en unidades de carga, 0 bien, para
convertir esta. En el apendice 2 se enumeran
algunas conversio nes de la presion expresada
como carga, obtenidas mediante esta ecuacion.
Ejemplo 1.11 Un contratista que necesita una
bornba que tenga una presion de descarga de
42 Ib/pulg2, busca en el catal6go de un fabricante can el fin de hallar una bomba adeeuada, pero se encuentra con que las capacidades
nominales se indican en pies de agua. (eual
debe ser Ia carga de la bomba que se especifique en la orden de corrrpra?
Soluci6n Se utiliza la igualdad del factor de
conversion del apendice 2, con un valor de
2.3 pies agua = 1 lbrpulg"
')
'~:I.
.: '
=
H
')
2116.8 Ibrple '
}!__
2116.8 Ib/pie2
d
849 Ib/pie3
H
= 42 Ib/pulg2 x
96.6 pies agua
2.3 pies agua
1 Ib/pulg"
Prmcipios fisicos 1 f 27
l!.]emplo 1.13
1.9 Trabajo, potencia y energia
EI trabajo es el efecto creado por una fuerza
cuando mueve a un cuerpo, y se expresa mediante la siguiente ecuaci6n:
trabajo = fuerza x distancia
(1.S)
Ejemplo 1.12 Una torre de enfriamiento cuyo
peso es 6000 lb se levanta desde el nivel de la
calle hasta el tech a de un edificio que tiene una
altura de 300 pies. ~Que cantidad de trabajo
se realiza para elevarla?
Solucion La fuerza necesaria es igual al peso
de la torre, Se utiliza la ecuaci6n 1.8 y se tie-
Si una grtl<1 eleva la lone de enfriamiento del ejemplo L 12 en 4 min, ~cual es
la potencia minima requerida?
Solucion
Se utiliza Ia ecuacion
potencia
=
6000 lb
x
1 hp = 33,000 Ib-pie.min
m;
La potencia es la rapidez con La que se realiza
el trabajo
potencia
=
lb-pie/rnin
=
En el sistema SI, la unidad de trabajo es el
Joule
la cantidad de trabajo realizado por
una fuerza de 1 newton (N) que actua sobre
una distancia de un metro, esto es 1J = 1 N-m.
trabajo
tiernpo
(1.9)
Generalmente la potencia es mas importante
que el trabajo en las aplicaciones industriales;
la capacidad del equipo se basa en su potencia de salida a su consumo de potencia. Si el
trabajo se expresa en libras-pies, se obtienen
unidades de potencia tales como libras-pies
por minuto y libras-pies por segundo. Las unidades generalmente utilizadas para expresar la potencia son el caballo de fuerza (hp)
y el kilowatt (kW). La unidad patron de potencia en el sistema SI es el kilowatt, igual a
1 J/seg.
Ib/pie/min
=:
0_746 kW
Si se cambian unidades,
300 pies
I,SOO,OOO Ib-pie
4 min
Del aperidice 2, se tiene que
450,000
=
1,SOO,000 Ib-pie
450,000
ne que
trabajo
1_9:
1 hp
x ----.!.__-33,000 lb-pie/m in
13_6 hp
0_746 kW
13_6 hp x ---I hp
10.1 kW
Si bien la energia es un concepto bastante
abstracto, se define a veces como la capacidad
para efectuar un trabajo. Por ejemplo, la eriergia quirnica almacenada en un combustible se
utiliza al hacerlo arder para producir gases de
combustion a altas presiones, que mueven los
pistones de una maquina, realizando asi un trabajo. Por consiguiente, el trabajo es una de las
formas de energia. La energia puede existir en
varias formas. Estas pueden agruparse en las
formas de energia que se almacenan en los cuerpos 0 aquellas formas de energia en transferencia 0 en movimiento entre los cuerpos_EI trabajo
es una de las formas de energia de transferencia entre los cuerpos. Esto es, un cuerpo realiza trabajo sobre otro, al poner en movimiento
a este ultimo.
La energia se puede almacenar en la materia en muchas forrnas. La figura 1.11 represen-
28 I Irrtroduccion
Flujo de
energia
Energia
almacenada
Energia almacenada
en el cuerpo:
Entalpia
Energia quimica
Energia potencial
Energia clnetica
Olras formas
Calor (0)
-.... }
Trabajo (W)
L--------..
~
A otro
cuerpo
Figura 1.11 Formas de energia.
La un diagrama que muestra algunos tipos de
energia almacenada y de energia de transferencia.
Ahora se poncin]. atencion a una forma de
energfa de transfereneia 0 de movimiento llamado calor. Algunas de las [oTl11aSde energia
almacenada se discutiran mas adelante.
1.10 Calor y temperatura
El calor se puede definir como faforma de energia que es transferida de un cuerpo a oiro debido a una diferencia en la temperatura.
La figura 1.12 describe graficamente esta definicion. En la figura 1.12(a) el calor (Q) fluye
del euerpo cuya temperatura es mas alta (l,J,
el sol, al cuerpo que tiene una temperatura mas
baja (l,), el individuo que se asolea. La figura ] .12(b) muestra que el calor fluye del cuero
po cuya temperatura es mas alta (t,J, la leche
tibia, al cuerpo que tiene una temperatura mas
baja (tl), el hielo, debido a la diferencia de
temperaturas.
Se observara que el calor solo puede fluir
en forma natural de una temperatura mas alta a una mas baja, "en descenso", por asi decirlo. POI' supuesto, si no hay diferencia de
temperatura, no hay flujo de calor.
La refrigeracion es simplemente un caso especial en la transferencia de calor; es la transferenda 0 rernocion de calor de un cuerpo para
llevarlo a una temperatura deseada mas baja,
o para rnantenerlo a una baja temperatura. Par
supuesto que debe haber otro cuerpo a una
temperatura todavia mas baja al que se pucda
transferir el calor. Esta condicion es 1a que origina la necesidad de metodos de refrigeraciori
___.-. ~
leche
--
_Hielo
Calor (0)
(a)
(h)
:;
Figura ·1.12 Flujo de calor desde el cuerpc cuya
temperatura es mas alto al cuerpo que tiene una
temperatura mas baja.
Principios fisicos I I 29
rnecanica, 10 que constituye el lema de este
libro.
Si bien, generalmente se habla de "enfr iar"
alguna cosa cuando se hace referencia a la reo
frigeracion, 10 que sucede realmente es que se
procede a la rernocion de calor. Tecnicamente, palabras tales como frio 0 enfriamiento carecen de sentido. Se trata s610 de sensaciones
fisicas subjetivas que se experimentan, para serialar el hecho de que cierto cuerpo se encuentra a una temperatura anormalmente
baja 0
que esta perdiendo calor.
Una unidad que se utiliza comunrnente en
los Estados Unidos para medir el calor es el Btu
(Un idad terrn ica britanica), EI Btu se define
como Lacantidad de calor necesaria pam eleuar La
temperatura de una libra de agua, un grado Fahrenheit a 59(}F.
I
I
I
j
i
i
I
I!
La unidad patron SI para el calor es el joule. Como se observara tam bien es la unidad SI
para el trabajo. Debido a que el trabajo y el calor constituyen ambos formas de ia misrna en:
tidad fisica, la energia, es posible medirlos con
las mismas unidades. En efecto, con frecuencia
se ve que el trabajo, una forma de energia, se
convierte en otra forma de energia, el calor,
mediante la fricci6n. Se tiene 'como ejemplo
cormin el trabajo efectuado por las llantas de
un coche al rodar sobre el pavirnento, las cuales se cali entan debido a la friccion que se
origina.
EI hecho de que el joule sea la unidad utilizada para todas las formas de energia, y el kilowar se utilice para todas las form as de estimacion
de energia 0 potencia en el sistema ordinario SI, simplifica los calculos. No obstante, en
los paises que utilizan el sistema metrico, comunrnente se usa todavia la caloria (cal) y la
kilocaloria (Kcal), tratandose de la energia calorifica, en los calculos de refriger acion. La
caloria es la cantidad de calor necesaria para
elevar la temperatura de un gramo de agua, un
grado Celsius a 15°C.
La temperatura
es una propiedad de las
sustanciasque depende de la velocidadde lasrnoleculas del cuerpo. Las moleculas son las par-
ticulas que constituyen
Ja estructura de las
sustancias, Mientras mayor es la velocidad molecular, mas alta es la temperatura. Sin errihargo, no es practice medir la temperatura con
base en la velocidad de las moleculas, Nuestro
sentido del tacto nos da una comparaci6n subjetiva de las temperaturas, y hablarnos de cuerpos "calientes" y "fr ios" segun sean nuestras
reacciones. Sin embargo, esto no resulta adecuado para desarrollar una escala numer ica
exacta. La [em peratu ra se 111 ide con preci sion
observando el carnbio de algun tipo fisico debido alos cam bios de la temperatura. EI instrurnento mas comun para medir la temperatura
(el terrnomerro), se vale del hecho de que los
liquidos se dilatan y se cont.raen segUn cambia
su temperatura. Un term6metro de mercurio
consiste de un estrecho tubo de vidrio y un bulbo que contiene mercurio. Cuando aumenta
la temperatura, el mercurio se dilata y se eleva en el tubo, La temperatura puede med irse
al observar hasta que punto se ha elevado la
columna de mercurio, en relacion con una escal a de temperatura marcada en el tubo.
La unidad escalar utilizada en los Estados
Unidos para medir la temperatura es el grado
Fahrenheit e'F). En _Ia escala correspondiente,
el punto de ebull icion del agua es 212"F y el
punto de congelacion es 32"F a la presion atmosferica a nivel del mar. En e) sistema rnetrico de unidades se utiliza elg,rad(} Celsius (0C), en
el que el punto de ebullicion del agua es de
lOonc y el punto de congelacion es O°C, a la
presion atrnosferica al nivel del mar. Por consiguiente, la relacion entre estas dos unidades es
(1.IOa)
(1.IOb)
Ejernplo 1.14 Se sllpone que el agua de enfriamiento en un condensador de refrigeracion esta a Ia temperatura de 78()F. La temperatura
se comprueba con un termornetro que tiene
una escala Celsius. ~Cmll debe ser la lectura del
terrnornetro?
30 I Introduccion
Solucion
Se uti liza la ecuacion
A esta energia almacenada
1.10b
POT
fa temperatu-
ra y la presion se le llama entalpia (H).
DC =
°F-3278-32
= ----=
1.8
l.8
2S.6°C
Existen adernas clos escalas de temperatura abo
soluta. Ambas tomnn como valor cero eI corresporidiente a la temperatura mas baja que puede
existir. Se conocen como las escalas de temperatura Rankine (R) y Kelvin (K). La escala Rankine
se utiliza en el sistema U.S.. siendo la diferencia entre la magnitud de cnda grado la misrna
que Ia delsistema Fahrenheit. La escala Kel·
vin se usa en el sistema 51, en ]a que la difercncia entre carla grado es igual a Ia existente
entre los graclos Celsius. Las relaciones son
( 1. IOc)
(1.10d)
La relacion entre las escalas de temperatura se muestran gr.ificamente en Ia figura 1.13
1.11 Entalpia
Ya se ha estublecido que la energfa se puecle
clasificar como energia en flujo y energia almacennda. La energia total alrnacenada en un
(uerpo incluye varios tipos. POI' ejemplo, se ent ie nde que un cuerpo posee energia qu imica
ahnacenada, puesto que se sabe por experiencia que esta energia puede ser liberada de ciertas sustancias mediante la combustion. Entre
otrus formas de energia almacenacla se tienen
la energia cinetica y la potencial. La energia cinrt ira es la energia almacenada en un cllerpo
debido a su movimiento o velocidad. La energia
potencial es la energia almaceuada en un cuero
po debido a su posicion 0 elevacion. Los cuerpos
poseen adenuis energia adicional debiclo a Sll
temperatura y presion. Se sabe que un gas que
esta a una presion elevada tiene energia (por
ejernplo una caldera de \'apor que estalla) )"
que el agl.la que esta a una alta temperatura
puede ceder energia calor ifica.
(Hay uria definicion
mas precisa de la entalpia, pero no es necesaria en el caso de este estudio.) Adern as, es cormin en la industria de
la refrigeraci6n utilizar la frase contenido de calor con el mis1110significado que tiene la palabra entalpia, (Estrictarnente hablando, el calor
es una forma de energia que entra 0 sale de
un cuerpo, y la entalpia 0 contenido de calor
es u na forma de energia almacenada en un
cuerpo.) Siendo como es una forma de eriergia, la enta1pia tambien se puede medir en Btu
o Joules. La entalpia especifica (h.) es la entalpia
por unidad de masa de una sustancia, expre·
sada en Btu por libra en las unidades U.S., y
Joules por kilogramo en las unidades S1.
Es irnportante distinguir entre ternperatura y entalpia (contenido de calor). La temperatura es una medida del nivel terrnico de un
cuerpo. Cuando se agrega calor a un cuerpo,
se eleva su temperatura, pero la entalpia total
coritenido de calor de un cuerpo depende
de la masa del mismo, as! como de su temperatura. Por ejemplo, el contenido de un dedal
de acero fundido a 25000F posee una tempe-
°
Fahrenheit
212°F
I
+
Rankine
672°R
Celsius
Kelvin
100·C
373'K
O'C
273°K
Cero absoluto
- 460°F
O'R------
273°C
OaK
Figura 1.13 Relaci6n entre las diferentes escalas
de temperatura.
Problemas I 31
ratu ra mucho mayor que un tanque de grandes dimensiones
lleno de agua a 200°F, pero
la entalpia del tanque de agua es mayor, 10 que
significa que hay mas energfa almacenada en
el agua. Esto constituye un hecho de gran irnportancia,
debido a que para muchas aplicaeiones se puede obtener mas calor del tanque
de agua, a pesar de su baja temperatura.
PREGUNTAS
DE REPASO
I. ,Que es la refrigeracion?
2. ,Cuales son los nombres de los dos sistemas cornurimenre usados para obtener la
refr igeracion?
3. ,En que grupos se clasifica la refrigeracion,
segun su usa en 1a economfa?
4. ,Que es un equipo integral? (Por que reo
sulta conveniente?
5. Enumerar cinco ejemplos de equipos de
refrigeracion que se encuentren en un restaurante 0 en un supermercado.
6. cQue es una unidad? ,Que problemas se
presentan al utilizar las unidades?
7. cQue es un factor de conversion?
8. ,Cuales son las ventajas del sistema de unidades SI?
9. Explicar por que es importante indicar un
valor con cierto mirnero de cifras significativas.
10. Definir los terminos presion manornetrica, presion de vacio y presion absoluta.
~Que es un manornetro compuesto?
11. ,Cual es el significado de energfa almacenada y energia de transferencia? Enurnerar algunos nombres y dar ejemplos de
cada uno de elias.
PROBLEMAS
1.1 Enumerar las caracter isticas fisieas medidas par cada una de las unidades siguientes:
Jb/pulg ', hp, GPM, pulg Hg, m/seg, pie2, kW,
Btu, kg/m3, pie3/lb (ver los aperidices ] )' 2).
1.2 Enumerar la unidad patron SI y una unidad u.s. tfpica para cada una de las siguientes
caracter isticas fisicas: potencia, presion. velocidacl, masa, gas to, energia, volumen espe-cifico
y clensidad.
1.3 Cambiar las cantidades siguientes, de las
unidades originales a las unidacles indi cadas
(ver el apendice 2):
a. 85 Ib/pulg:! a pies de agua.
b. 14.5 pie:~/seg a gal/min (GPM).
c. 83,200 Btu/hr a tone lad as de refrigeracion.
el. 7.62 puig Hg a lb/pulg '.
e. 12.6 hp a Btu/min.
1.4 La puena de una camara frigorffica es
de 7 pies 6 pulg de alto por 4 pies 3 pu 19 de
ancho. ,Cual es el area de la puerta en pies cuadraclos?
1.5 Cambiar las siguientes cantidacles de las
unidades U.S. a las unidades SI como se indica:
a. 23.7 toneladas (de refrigeracion) a kW.
b. 18.0 Ib/pulg~ a kg/m:l.
c. 62.4 lb/pie ' a kg/m:1.
d. 145 gal/min. a m3/seg.
].6 Un cilindro lIeno con un refrigerante
tiene un volumen de 3.8 pies.i' El refrigerante pesa 206.0 lb. Hallar la densidad y el
volumen especifico del refrigerante en uriidades U.S. (Cual es la densidad en unidades ,
SI?
1.7 Un tanque de 4.0 pies de largo par 3.5
pies de ancho contiene salrnuera hasta una altura de 2.6 pies. La salmuera tiene una densidad relativa de 1.20. (eual es el peso de la
salrnuera dentro del tanque?
1.8 Redondear los nurneros siguientes a tres
cifras significativas:
a. 234,340
b. 7.2798
c. 543
d. 2.8
e. 0.7826
1.9 Hallar la presion ejercida poria salmuera sobre el fondo del tanque descrito en el problema 1.7. Expresar la respuesta en Ib/pulg~ y
en kPa.
32 / Inrroduccidn
1.10 La presion absoluta en la linea de suecion a un cornpresor es de 8.3 pulg Hg. (Que
presion indicaria un manornetro de vacio calibrado en pulg Hg, si el compresor se halla al
nivel del mar?
1.1I EI manometro en la descarga de un
compresor indica 210 lb/pulg". EI compresor
esta situado en un lugar en donde la presion
atrnosferica es de 12.2 lb/pulg". tCual es la
presion absolute de descarga? Expresar la respuesta tanto en lbrpulg"'I como en kPa.
1.12 Un manomerro de presi6n instalado en
Ia succion de un compresor indica un vacio de
7.4 pulg Hg. Un man6metro instalado en la
descarga del compresor indica 162 lb/pulg manomet. (Cmil es el aurnento de la presion del
cOl11presor, expresado en Ib/pulg2?
1.13 Es necesario evacuar de gases un sistema de refrigeraci6n hasta una presion de 0.06
Ib/pulg2. La presion se mide con un man6me-
i.
C
'!",::" .
;
.,
,.
.
tro. (Cmil ser ia la lectura manometrica equ ivalente, expresada en mm Hg?
1.14 Un tubo tiene 24 pies de alto y esta lIeno de agua. EI mismo va desde un co n de nsador situado en el piso superior de un edificio
hasta una tone de enfriamiento colocada 50bre el condensador. (Cmil es la presion ejercicia sobre el condensador, en Ib/plllg2?
1.15 Un barornetro tiene u na Iectura de 705
mm I-Ig_ (Cual es la presi6n atmosferica expresada en lb/pulg ' y en pulg Hg?
1.16 Carnbiar las siguienles lecturas de temperatura, de las unidades originates a las unidades indicadas:
a. 95°F a DC
b. - 10°C a OF
c. 620°F a OR
d. 32DC a oK,:
e_ 5800R a DC
Capitulo
PRINCIPIOS FfslCOS 2
En este capitulo se explica como se realiza la
refrigeracion y se repasan temas de fisica relacionados con la refrigeracion, incluyendo los
estados de la materia, la primera y segunda le- •
yes de la terrnodinamica, el comportamiento
de los gases y la transferencia de calor. En
el capitulo 6 se incluye informacion adicional
acerca de la transferencia de calor. EI material restante esta relacionado con el uso y conservaci6n de la eriergia.
OBJETIVOS:
EI estudio de este capitulo perrnitira:
1. Describir y hacer uso de Ia ecuaci6n de la
energia.
2. Identificar la relaci6n entre temperatura,
presi6n, calor y ental pia, cuando una sustancia cambia del estado liqu ido a vapor.
3. Explica el significado de las condiciones saturada, subenfriada y sobrecalentada.
4. Utilizar las tab las de las propiedades de los
refr igerantes para hallar los val ores de dichas propiedades.
5. Utilizar las ecuaciones de calor sensible y
dinarnica, respecto de la conservacion
energia.
de la
2.1 Ecuacion de la energia (primer-a
ley de la termodinarnica)
La terrnodinarnica es la rama de la fisica que
trata de la transforrnacion entre el calor y el
trabajo. La primera ley de la terrnodinamica
es un principio que puede ser enunciado de
muchas maneras, por ejemplo: "La energia no
puede ser ere ada ni destruida", 0 "la energfa
se coriserva en cualquier proceso" Esta ley se
utiliza mucho en los procesos de refrigeraci6n
especialmente cuando se enuncia como el siguiente bal~nce de energia:
La energia agregada a un sistema (ErnJ, menos
la energia removida del sistema (Esau, es igual
al cambio de energia (EcambJ en el sistema.
AI escribirse como la ecuaci6n de Laenergia para
cualquier sistema, se convierte en
cambio de energia
=
-
Ecamh
laterite.
energia agregada
energia remouida
= s.; -
s.;
(2.1)
La palabra sistema puede referirse a cu alquier cuerpo 0 grupo de cuerpos relacionados
6. Discutir el significado y algunas conclusiones derivadas de la segunda ley de la terrno33
34 I Principios fisicos 2
entre si. Pucde SCI' el aire contenido en una hahitacion, u n evaporador
de refrigeracion,
el
gas que fluye a t raves de un compresor,
() la
pl.uua completa de refrigeracion
(cualquier cosa a la que se le apl ique Ia ecuacion).
La cnergia que se agrega (que entra) 0 se remueve (que sale) del sistema, puede encontrarsc ya sea en forma de calor () de trabajo, o de
ambos, fluyenrlo hucia udenrro 0 hacia afuera
del sistema. Gcncrul meute el regimen de flujo
de la L'lleq~i;l (energfa por unidad de riernpo)
es In que interesa. EI ejemplo siguieute ilustra
el lISO de In ccuucion de la energia.
Ejcmplo 2.1 EI rom presor qu I.' se muestra
en la
ligllra ~,I requiere 2Ji hp para comprimir el gas
refrigerante. Hay una perdida de calor del gas, a
tr.ives de las parcdes del compresor, igUill a 900
Btu/hr, hncia (:'1medio .unbiente. (Cu,ll es el regllllen de gananci;\ () perelida de energia del
~·a!'?
Soluruin EI problema
se resuelye mediante
Ia apIic(lci(}ll de la ecuar ion de la energia
(~,I)_ Las un idudes correspondienres
al regimen de flujo de energia, deben ser todas
ihTlIales, como se muestra en la conversion
de hp a Btu/hr.
=
2.6 hp
2545 Btu/hr
X
--~--
- 900 Btu/hr
I hp
6617 Btu/hr ~ 90() Btu/hr
= 57 I 7 B Iu/h r
=
Est o es, In euergiu del gas refrigerante
se
uurnenro en 5717 Btu/hr en el cqmpresor.
En esre ejemplo la energfn del sistema (el gas)
se <1UI11I,"I1[t), como 10 indica 1.'1resultado, el cual
t ie ne u n valor positivo. lin valor negativo indica ria que hubo una disminucion
neta, 0 sea
una perdidu de eriergin en el gas.
La entnlpia del gas carnbio en este ejemplo.
La ental pia cambia en muchos procesos de refl·igeracit)11. ESIO es, ctlalquier cambio' en ]a
GaSen1Jada -ill-- ......
Esaliaa= 900 Btu/hr
Compresot
Figura 2.1 Esquemacorrespondiente al ejemplo 2_i
energia almacenada del refrigerante,
represen·
ta par 10 cormin un carnbio de entalpia.
Si bien las formas en las que la energia puede agregarse
al refrigerante
0 removerse
del
mi smo son el calor y el trabajo, las unidades
utilizadas correspondientes
a la energia son intercambiables,
sin tener en cuenta la forma
de la misma, ya sea calor, trabajo, 0 entalpia,
EI siguiente
ejemplo ilustra como se ·simpli.
fica el problema de las unidades al utilizar el
S1.
Ejemplo 2.2 Los ventiladores del evaporador de
una carnara frigorifica disipan 420 W de eriergia terrnica. Las manzanas almacenadas
en la
camara disipan 280 W (j/seg) de calor de resp iracion. cCld.l es el regimen de cambio de la
entalpia
en el aire de la carnara?
Solucion Se aplica
Er'llllb
=
El'lll
-
420 W
700 W
la ecuaciori
2.1:
EsaJ
+ 280 W - 0
La ental pia del aire de la carnara aurnenta
a un regimen de 700 W. Se debe observar
que deb ido a que solo se utiliza una unidad
para el regimen de energfa (1.'1 watt), no es
necesario
hacer conversiones
de un idad es.
En la industria de la refrigeracion
enlos Estados Un idos, existe una unidad para exp resar 1.'1regimen de calor. se [rata de la tonelada
de rejrigerGcion, cura equivalencia
es:
Objetivos I 35
I ton
=
=
200 Btu/min = 12,000 Btu/hr
288,000 Btu/dia
EI origen de esta unidad se basa en el hecho
de que en la fusion de una tonelada de hielo
se liberan 288,000 Btu (2000 lb x 144 Btu/lb).
2.2 Liquidos, vapores y cambio
de estado de los mismos
Las sustancias pueden existir en tres diferentes estados (llarnados asimismo lases): solido, liquido 0 vapor (gas).Los fenomenos que tienen
Iugar cuando una sustancia cambia de estado
14.7 Ib/pulg2 abs
14.7 Ib/pulg2 abs
o sea, cuando se transform a de liquido a vapor
(ebullicion), 0 de vapor a liqu ido (can densacion), se describen de un modo mas claro, por
medio del experimento que se muestra en la
Figura 2.2 (desde a hasta I inclusive).
La figura 2.2(a) muestra un recipien te COil
agua a la temperatura ambiente. Puesto que no
esta tapado, se halla sujeto a la presion atmosferica, 14.7 Ib/puIg2 abs al nivel del ~ar. En (b)
se agrega calor (Q) al agua, y se observa que
la temperatura del agua se eleva continu amente a medida que se agrega este calor. Sin ernbargo, posteriormente
en determinado
memento en eI tiempo, se advierte que en (c)
14.7 Ib/pulg2 abs
Agua a
150aF
Q
Q
(a)
(b)
14.7 Ib/pulg2 abs
,......I...-_...J
....:
:... .....
:
"
14.7 Iblpulg2 abs
(c)
14.7 Ib/pulg2 abs ....._-,
~e··~:·.
.v-.
...:.,.:
:.·.·Vapor a:' ..::
....'·.212° F .....
,..:
Agua a 212°F
Q
(d)
(e)
Figura 2.2 Experimento que muestra el cambio de
estado del agua a la presion atmosterica (14.7
Ib/pulg2abs). a) Condici6n inicial (liquido subenfriado) b} Se agrega calor, la temperatura aumenta
(Iiquido subenfriado). c) Se agrega calor, el Iiquido
alcanza el punta de ebuIlici6n (Hquido saturado).
d) Se agrega calor, el liquido empieza a transfermarse en vapor, no hay aumento de la temperatura. e) Se agrega calor, todo. el liquido se evapora
(vapor saturado). f) Se agrega calor, aumenta la
temperatura del vapor (vapor sobrecalentado). Nota: EI Jiquido subenfriado es un liquldo cuya temperatura es inferior a la de su punto de sbulllclon.
EI Iiquldo saturado y el vapor saturado son el liquido
y el vapor en el punto de ebullici6n (punto de condensacion). EI vapor sobrecalentado, es el. vapor
cuya temperatura es superior a la del punta de
ebullici6n.
36 I Principios fisicos 2
.~:.:
:"",
:':
.il
··:i·
la temperatura deja de subir (a 212°F), Yaunque se sig-a agreganc10 m.is calor, en (d) Ia temperatura 110 sube durante un tiempo. Se
observar.i enronces que el agua en estado liquido cambia al estado gaseoso 0 cle vapor (vapor
de agua). A este proceso se Ie llama ebullicion,
Se trata de una evaporacion r.ipidn. A medida
que se agrega calor, no tiene lugar ningun
numeruo adicional de temperatura,
mientras
quede algo de liquido. En (f'), toda el agua se
ha evaporudo. Si se agrega mas calor, se observar.i que la temperatura (del vapor de agua)
empezuni a subir de nuevo. pOl' arriba de
212"F. como se ve en (j).
Toda I.. serie de pl'ocesos que se acaba de
descr ibir se puede llevar a cabo a la inversa.
En la fig-ura 2.2 (j), la rernocion de calor del
\'apm- de agua (enfriarniento) hace bajar su
Temperatura. Cuando e! enfriamienlO continua
basta (r), la temperatura ya no bnja, sino que
1.'1gas comienza ,1 condeusarse, para formal' u n
liqu ido, (d). Despues de que se condensn tndo
el vapor ele agua, (C), la remoci6n adicional de
calor da pOI' resultado un descenso de 1<1temperatura del liqu ido, (b) y (a).
En la figura 2.3, que representa el diagrarna temperatura-ental pia (t-I1). se muestra un reo
sumen del proceso descrito. La linea muestra
un cambio en la temperatura del Ifquido entre 32°F y 212°F cuando se agrega calor, pero
ningun cambia en la temperatura cuando se
agrega mas calor, hasta que se evapora todo el
liquido. Si cntonces se agrega mas calor, la temperatura se eleva nuevamente. (El diagrama
mucstra asimismo el cambio del estado s61ido
al estado liquido, que se tratara mas adelante),
2.3 Dependencia de la temperatura
de e?~llicion con respecto a la
. preSIon
La conclusion que se puecle derivar del expe·
rimenro anterior, es que eI agua cambia de estado de u n liquido a un gas a 212°F y 14.7
Vaporizaci6n 0
condensacion
212
r=
14.7 psi a
Vapor
sobrecalentado
Uquido
saturado
saturado
u,
0
113
:;
~Cll
0.
Fusion 0
congelaci6n
E
Cll
l-
I
32
Calor sensible
del liquido (agua)
180
Calor latente
de vaporizacion
970
Entalpia (conlenido de calor), Btullb
Figura 2.3' Cambio de entalpia (contenido de calor)del agua a 14.7 Ib/pulg2abs.
Calor sensible del
vapor (vapor de
agua)
Objetivos I 37
lb/pulg ' abs. Anora conviene efectuar el m isrna experimento
can la presion arnbiental a un
valor mas elevado, par ejemplo, 24.9 Ib/puJg:!
abs. La figura 2.4 representa
el mismo proce·
so de calenramiento,
0 de enfriamiento
si se
realiza a Ja inversa, a la presion mas elevada.
Cuando la temperatura del agua lIega a 212°F,
en (c), y se agrega mas calor, no hierve, pero
la temperatura sigue subiendo. Sin embargo,
cuando la temperatura lIega a 240"F, en (d), se
inicia el proceso de ebullicion, y la temperatura pennanece constante hasta que el Iiquido se evapora totalmente. Esto dernuestra que
la temperatura a la cual hierve el agua, earnbia con la presi6n. En el caso del agua, el pun·
to de ebullici6n es de 240llF a 24.9 Ib/pulg2
24.S Ibfpulg2 abs
24.9 Ibfpulg2 abs
abs. Esto signifiea que no se puede haccr <Jue
el agua alcance el punto de ebullicion
a una
temperatura inferior a 240(JF, si la pres ion es
de 24.9 lb/pulg" abs.
Si el experimento se llevara a cabo a una
presion de 6 lb/pulg" ahs, se hallaria que al
agregar calor, el proceso de ebullicio n te ndr ia
Jugar a 1701JF. Estes hechos muestran que la
temperatura de ebullicion y condensac io n de
u n fluido dcpende de la presi6n a la que esta
sornetida. Esto es, Latemperatura de ebullicion de
un liquido cambia con la presion. La figu ra 25
muestra una linea que representa estos valores de presion y temperatura para el agua, y
se Ie conoce como la curua del punta de ebullicion, 0 curva de saturacum del vapor. EI agua solo
24.9 Ib/pulg2 abs
Agua a
150°F
Q
(a)
Q
(b)
24.9 Ibfpulg2 abs
(c)
24.9 Ib/pulg2 abs ";".:',
..•.~
.'
Agua a
. 280°F ::....
240°F
Q
Q
(d)
Q
(e)
Figura 2.4 Experimento que muestra el cambio de
est ado del agua a 24.9 Ib/pulg2abs. a) Ccndiclon
inicial (liquido subenfriado). b) Se agrega calor,
aumenta la temperatura (liquido subenfriado). c) Se
agrega calor, aumenta la temperatura (liquido
subenfriado). d) Se agrega calor, elliquido alcanza
ef punta de ebulllcion, e) Se agrega calor, todo el
liquido se evapora (vapor saturado). ~ Se agrega calor, aumenta la temperatura del vapor (vapor sobrecalentado).
38 I Principios fisicos 2
puede existir en su condicion de ebull icion
cuan do se ajusta a los valores sobre esta linea.
Ala izquierda de esta linea solo puede cxistir
como liquido, y ala derecha solo como vapor.
A 10 largo de la linea puede existir ya sea co1110 un liqu ido a punto de hervir, como un vapar a punto de condensarse, 0 como una mezcla
de Iiquido y vapor.
Ejemplo 2.3 Si la temperatura del agua es de
225°F, y su presion de 25 Ib/pulg abs, ~estar;i
el agua en estado liquido 0 de vapor?
Solucion. se localiza esta condicion de presion
y temperatura (p·i) en la figura 2.5, y se observa
que este punto se encuentra en la region del liquido. EI agua esta en estado liquido.
300
./"
200
100
80
/
f-----..
L
/
---
./
40
.
/
20
~
Region del liquido
V
/
I
Curva del punto de ebUllici~n
/
10
/
8
/
/
6
/
IL
4
2
V
.B
/
J
Region del vapor
/
/
.6
I
/
/
II
.2
o
.-
t-
60
0.1
V
/
50
100
150
200
250
Temperatura, DF
Figura 2.5 Curva de presion-temperatura del punto de ebullici6n del agua; se Ie conoce tam bien como la curva de presion del vapor.
300
350
400
Objetivos I 39
Esta misma dependencia
de la temperatura
de ebullici6n
y condensaci6n
can respecto a
la presion se mantiene para todos los flu idos,
pero los valores p·t son diferentes. Par ejem-
plo, a 14.7 Ib/pulg2 abs, el amoniaco hierve a
- 2suF, el alcohol a 170°F, y el eobre a 4,250°F.
En la figura 2.6 se muestran las eurvas p-t del
punto de ebullicion correspondiente a algunos
fluidos utilizados como refrigerantes. Los simbolosRl2, R·22, y otros semejantes constituyen
un c6digo de nomenclatura abreviada para los
refrigerantes que normalmente se usan en la industria. Este sistema de nurneracion evita el
problema de tener que utilizar nombres de diferentes fabricantes, tales como Freon, Genetron e Isotron. Es asimismo mas simple que
tener que utilizar las largas f6rmulas quimicas.
Se conoce con el nombre de fluorocarburos a
un gru po de refrigerantes del cual forman parte
el R-12, R·22, R·502 Yalgunos otros. En el capitulo 9 se discuten en detalle los refrigerantcs.
Ejemplo 2.4 Se utilizara refrigerante R·22 a una
temperatura
de evaporacion (ebullici6n) de
25°F. ~Cual sera su presion?
Solucum En la curva del punto de ebullici6n
del R·22 de la figura 2.6, se ve que la pre·
sion de evaporacion correspondiente a 25°F
es aproximadarnente
de 63 lb/pulg2 abs.
Mas adelante se incluyen tablas que indican
los val ores p-t correspondientes al punto de
ebullicion. Estas tablas poseen la ventaja de que
se pueden leer con mayor exactitud que las
curvas.
Se debe observar en la figura 2.6, que mientras mas alta es la presion sobre un liquido, mas
alta es la temperatura de ebull iciori, y mientras mas baja es la presion, mas baja es la ternperatura a la cual hierve,
2.4 La teoria molecular (cinetica)
de los liquidos y los gases
.EI proceso de ebullicion y la dependencia de
la temperatura del punto de ebullici6n con res-
pecto a la presion circundante, puede explicar·
se haciendo referencia a la tcoria molecular
(cinetica) de los liquidos y In!' gases. 'To d.; la
materia est ..l compuesta de particulas llamadas
rnoleculas.
Las moleculas de una sust.arnia
estrin eonstantemente en movimiento, Ex istcn,
asirnisrno,
fuerzas que rnotivan atracciones
mutuas. Mientras mas cerca esnin entre SI las
moleculas, mayores son las fuerzas de arraccion.
Cuando una sustancia se encuentra en cstado liqu ido, las moleculas estan m ..is cercanas
entre 51 que cuando esta en estado gaseoso,
y por consiguiente las fuerzas de atraccio n son
mayores. Asirnisrno, las moleculas en estado gao
seoso se mueven can mayor rapidez que las
moleculas en estado !Iquido, y poseen pOl' 10
tanto mayor energia, Esta es la razon por la que
se requiere calor para hacer hervir un liquido.
Se requiere energfa terrnica para veneer las
fuerzas de atraccion que mantienen a las rn oleculas relativamente cercanas entre si, de rnanera que se separen aun mas y cambien su
estado al de un gas.
La temperatura
de una sustancia es una
medida de la velocidad promedio de sus moleculas. Mientras mas alta es la velocidad pro·
medio, mas elevada es la temperatura.
No
obstante, no todas las rnoleculas se mueven
a la velocidad promedio; algunas se mueven a
mayor velocidad, y otras a menor velocidad.
La figura 2.7 muestra un recipiente destapado Ileno de agua a 70°F y rodeado por aire
a 14.7 Ibfpulg2 abs. Por consiguiente, el agua
se encuentra en estado liquido. La velocidad
promedio de las moleculas no es lo suficientemente alta para que.-pu.e.d.a!!escapar con rapidez. Sin embargo, una pequefiafraccion de las
moleculas posee velocidades superiores al pro·
medio. Algunas de estas moleculas escaparan
si se encuentran cerca de la superficie. Esto es,
habra una evaporacion muy lema desde la
superficie. Esta condici6n haee que las moleculas restantes queden a una velocidad prome·
dio mas lenta, y por tanto a una temperatura
mas baja, Ha tenido lugar un ligero efecto de
enfriarniento del liquido, como resultado de la
40 I Principios fisicos 2
--l-4--f--I-' 1,- ~f-f_+__+__+_-I_~...,....""1-_+I___It__I___+_+-f
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0.2I-H--t-+-+-+-+-I-+-+-+-+-+--t-t--~,\,,'b'A-+-+-++-+-I--I-+--+-+-+-+--l
//
-20
o
20
40
I
60
Temperatura, of
Figura 2.6 Curvas de presion-temperaturadel punto
de ebullici6n de algunos refrigerantes.
80
100
120
Objetivos I 41
~~i·~t ~t ~~t ~l l t
ttttttttttttt
Presion circundante
resistenle
Presion de vapor
del llquldo
Figura 2.7 Evaporaclon lenta del liquido. EI escape de algunas rnoleculas desde la superficie causa
una presion de vapor.
i
I
~
i~
f
I
I
j
I
,
~
r
I
evaporacion. Este efecto es notable cuando se
frota alcohol sobre la piel. Este se evapora graduaJmente, y se enfria a si mismo y a la piel.
Las moleculas que escapan de la superficie
de un liqui do crean un vapor. La presion ejercida por este vapor en la superficie del Iiqu ido se conoce como la presion del vapor. Si la
presi6n ejercida par el gas circundante es
superior a la presion del vapor, el llquido no
puede entonces evaporarse rapidamente. No
obstante, si se aumenta Ia temperatura del liquido, Ja velocidad molecular aumenta hasta
un punta en el cuallas moleculas rompen los
enlaces que las mantienen unidas como liqu ido, y este hierve. La presi6n del vapor del II'
quido ha aumentado hasta un valor superior
al de la presion resistente circundante. Por SUo
puesto, si la presi6n resistente es mayor, la ternperatura del liquido debe aumentarse todavia
mas para que alcance eI punto de ebullici6n.
Mientras tiene lugar el proceso de ebullicion, el calor aplicado pro cede a romper los
enlaces, al vencer las fuerzas que mantienen
unidas a las moleculas, Esto es, no se aumenta
la velocidad de las moleculas. Esta es la raz6n
pOTla cualla temperatura no aumenta durante la ebullicion,
Es muy importante tener en cuenta 10 que SUo
cede si la presion ejercida por un gas sabre un
Iiquido, se reduce a un valor inferior al de la
presion del vapor ejercida pm el liquido . En
este caso, el liquido entra subitamente en ebullicion debido a que la presion circundante es
ahora menor que la presion del vapor ~joerci·
da por eI liquido. La energia de las molec ulas
es 10 suficientemente
grande para veneer 1<1 reo
ducida resistencia, y escapan rapidarnente. Esta
situaci6n enfr ia el Iiqu ido remanente, puesto
que se exrrae energia. Ari, se obtiene Laebullicitm
mediante una disminucuni de Lapresion. Este pro·
ceso es esencial en 1£1 refr igeracion, corn o se
vera mas adelante.
2.5 Condicion saturada, suhenfriada
y sohrecalentada
La coridicion de presion y temperatura a la
cual tiene lugar la ebullicion,
se conoce como
la condici6n saturada, y e) punto de ebullicion
se conoce tecniqarnente
como la temperatura
de saturaci6n y la presion de saturacion.
Corno se vio en la descripcion del experimerito,
la sustancia puede existir como liquido, vapor
o una mezcla de liquido y vapor en la corrdici6n saturada. En el punta de saturacio n , al
liquido se Ie llama lfquido saturado, y al vapor,
vap.or saturado.
El vapor saturado es vapor a La temperatura
de ebullicion y el liquido saturado es liquido
a Latemperatura de ebullicion. Cuando la temperaiura del vapor es superior a su temperatura de saturacum (punta de ebullicum), se
llama vapor sobrecalentado. Cuando fa temperatura del liquido es inferior a su temperatura de saturacuin,
se llama liquido
subenfriado.
Esta condici6n se ilustra en la figura 2.8, la
cual es una curva tipica del punto de ebu llicion. Debe observarse que una sustancia pue·
de existir como un liquido subenfriado 0 u n
vapor sobrecalentado, a muchas temperaturas
con una presion dada, pero solo puede existir
como un liquido 0 vapor saturado a una sola
temperatura con una presion dada.
42 f Principios fisicos 2
2.7 Tablas de las propiedades
saturadas
Region del liquido subenfriado
Curva del punto de ebullicion (el
liquido 0 el vapor salurados, 0 la
rnezcla de ambos, se encuentran a
10largo de esta linea)
Region del vapor sobrecalentado
Se han elaborado tablas para much as sustancias, las cuales indican las tern peraturas de saturacion y sus correspondientes presiones, asl
como otras propiedades a las condiciones de
saturacion. En el caso del agua, las tablas se conoeen cornunrnente como las tablas de vapor
saturado. EI aperidice 3 constituye una tabla
abreviada de las propiedades saturadas del
agua. Los ejemplos siguientes ilustran algunos
de los usos de estas tablas.
Ejemplo 2.5 c:Aque temperatura
hierve el agua
a una presion de 11.5 Ib/pulg2 abs?
Solucion En el apendice 3 se observa que la
Temperatura
Figura 2.8 Curva tipica del punto de ebullici6n que
muestra elliquido saturado, vapor saturado, 0 una
mezcla (sobre la curva), y las regiones del liquido
subenfriado y el vapor sobrecalentado.
2.6 Calor sensible y calor latente
Cuando el calor agregado 0 extraido de-una sustancia resulta en un cambio de temperatura y
ningiin cambio de estado, se tiene entonces
que al cambio de entalpia en la sustancia se Ie
llama carnbio de calor sensible. Cuando el calor
agregado 0 rernovido de una sustancia resulta
en un cambio de estado (a temperatura constante), entonees al cambio de entalpia en la sustancia se Ie llama cambio de calor latenie. Al
aumento de ental pia, al efectuarse el cambio
de liqu ido a vapor, se Ie llama calor latente de
uaporizacion. Al efecto opuesto, 0 sea la disrninucion de entalpia al efectuarse el cambio de
vapor a liquido, se le llama calor Iatente de can·
densacum. Es igual al calor latente de vaporizacion.
temperatura de saturaciori (punto de ebullicion) a 11.5 Ib/puIg2 abs es de 200°F.
Ejemplo 2~6Utilizar las tablas de vapor, a fin
de determinar si el agua esta en estado Iiquido 0 gaseoso, a 300°F y 150 Ib/pulg2 abs.
SoluciOn Se utiliza el aperidice 3, y se encuentra que la temperatura de saturacion (ebullici6n) a 150 Ibfpulg2 abs es de alrededor
de 360°F. La temperatura real es menor; por
consiguiente, el agua esta en estado Iiquido
(liquido subenfriado).
2.8 Refrigeracion por evaporacion
EI hecho de que la materia tiene una naturaleza molecular, explica por que una subita disminucion de la presion que rodea a un Iiquido
puede haeer que este hierva, dan do par resultado un proceso de refrigeracion.
Cuando una sustancia se encuentra en estado Iiquido. oeurre que, si la presion circundante se hace disrninuir subitamente a un valor
inferior al de su presion de saturaci6n, el liquido ernpezara a hervir vigorosamente, para
Objetivos
pasar al estado gaseoso. La velocidad de las mo
leculas es suficie ntemente alta para perrnitir-
les que escapen rapidamente a la presion mas
original mas elevada. La ebulIici6n enfriara la sustancia a la ternperatura de saturacion correspondiente
a la .
presion mas baja, Cuando el liquido hierve,
absorbe su correspondiente
calor Jatente de
vaporizaci6n de cualquier cuerpo circundante, enfriandolo. De esta manera se logra la refrigeracion. En el capitulo 3 se explica como se
obtiene esta refrigeracion de una manera practica.
Hasta la misma ebulliciori del agua puecle
u tilizarse para lograr la refrigeracion, si es po·
sible bajar la presion 10 suficiente, como se vera en el ejemplo siguiente.
I 43
Ejemplo 2.8 ~A que temperatura
hervira el refrigerante R·12 (se evaporara) si la presion Clr·
eundante es de 31.8 Ib/pulg~ abs?
baja, pero no a Ia presion
Ejemplo 2.7 Se utilizara
la ebullicion del agua
p~ra obtener refrigeracion a 50°F. (_Aque valor se debera disminuir la presion circundante?
Solucion En el apendice
3 se observa que la
presion de saturacion del agua a 50°F, es
de 0.178 Ib/pulg2 abs. Si se reduce la pre·
sion por debajo de este valor, e1 agua hervira. Esto requiere calor (Iatente), EI caJor
fluira hacia el agua desde cuaJquier cuerpo
circundante que se halJe a una temperatura mas elevada, enfriando asi al cuerpo.
Algunos sistemas de refrigeracion por
absorcion utilizan Ja ebullicion (evaporacion) del agua a presiones muy bajas para
llevar a capo la refrigeracion (ver capitulo
13).
.
Por supuesto, adernas del agua, se pueden
usar otros fluidos como refrigerantes. En los
apendices se proporcionan tablas que indican las
propiedades en condiciones de saturacion de
un buen numero de refrigerantes, tanto en unidas U.S. como en unidades S1.EI estudiante debe familiarizarse a fondo con estas tab las, ya
que se usaran con freeuencia.
Solucuni En el apendice 5 se observa que la
temperatura de saturacion
(punta de e bulliciori) del R-12 es de 14°F a 31.8 Ib/pulg~
abs.
Ejemplo 2.9 EI R·717 (amoniaco) esta a una tem-
peratura de 1] O°F Y una presion
IbJpulg~ abs. (Cual es su estado?
de 192.7
Solucion En el apendice
8 se observa que a
192.7 Ib/pulg2 abs, la temperatura de satu racion correspondiente (punto de ebullicion) es
de 94°F. La temperatura real es mayor que
este valor; por consiguiente, el refrigerante
se comporta como un vapor sobrecalen tado. Esto es, esta par arriba de su punto de
ebulIici6n.
EI siguiente ejemplo iJustra una observacion
hecha con anterioridad: que una reduccion de
la presion que circunda a un liquido, pue de
hacer que este hierva.
Ejemplo 2.10 EI refrigerante R-502 esta a 90°F y
215 Ib/pulg2 abs. La presion disminuye subita-
mente a 65 Ib/puJg2 abs. ~Cual es su condici6n
inicial, y que sucedera cuando disminuya Ia
presion?
Solucion El aperidi ce 7 indica las propied a-
des de saturacion del R-502. A 2] 5 Ib/pulg~
abs, la temperatura de saturacion es Ciproximadamentre de 95°F. La temperatura real
es de 90°F; por consiguiente, se trata inicialmente de un liquido subenfriado.
La presion de saturacion correspondiente
a gOOFes aproximadamente de 2001b/pulg2
abs. Si la presion disminuye a 65 Ib/pulg2 abs,'
esto es, por abajo de la presion mas baja que
Ie impediria hervir (200 lb/pulg ' abs), el li-
44 I Principios fisicos 2
quido refrigerante ernpezara a hervir vigorosarnente al reducirse la presion.
!"_
Ademas, en este ejemplo se debe haeer notar que a la presion reducida, 65 Ib/pulg2abs,
la temperatura de saturacion es de 18DF. Por
eonsiguiente, el refrigerante hervira a esta temperatura. EI calor (Iatente) requerido para que
se efectue la evaporacion flu ira desde eualquier sustancia circundante cuya temperatura
sea su perior a 18°F. ESlO es, se obtiene la refrigeracion 0 enfriamiento de la sustancia. En
el capitulo 3 se proporciona una exp licacion
mas cornpleta de este proeeso.
Al observar los valores en las tablas de propiedades saturadas, se nota que las presiones
inferiores a la atmosferica se indican a menudo en unidades de pulg Hg de vacio, en vez
de Ib/pulg2. Como un recordator io para el lector, estos valores estan senalados con up asterisco.
Existen tablas en las que se indican las propiedades de los gases sobrecalentados de un
buen nurnero de refrigerantes. Tambien se dispone de diagramas que muestran las propiedades de los refrigerantes sobrecalentados y
subenfr iados, A estos diagramas se les llama
diagram as p-Il (presion-entalpia), y se estudian
en el capitulo 3. Estos diagramas se usan con
frecuencia debido a que tarnbien son utiles
para la compresion y analisis de los procesos
de refrigeracion.
La entalpia y el volumen de un liquido dependen casi totalmente de la temperatura, y no
de la presion. Por esta razon, se pueden utilizar las tab las de las propiedades saturadas para
obtener estas propiedades en el caso de los Ifquidos subenfriados. Por ejemplo, la entalpia
del agua en estado liquido a 220°F, ya sea en
la condici6n subenfriada 0 saturada, es de
188.2 Btu/lb, como se observa en el aperidice 3.
Por conveniencia, muchas tab las indican
tanto la presion absoluta como la manometrica. Las listas de la presion manornetrica se basan en una presion atrnosferica supuesta de
14,.7 Ib/pulg2 abs. Si la presion atrnosferica
real en un lugar deterrninado
difiere sig·
nificativamente
de este valor, como en el
caso de las grandes altitudes, los datos de
Ia presion manornetrica seran incorrectos.
Para evitar cualquier error 0 mala inter pretacion, es conveniente utilizar siempre Ia pre·
sio n absoluta en la solucion de cualquier
problema.
2.9 Determinacion de la cantidad
de calor agregado 0 rernovido
Se puede utilizar la ecuacion de la energia (2.1)
para determinar que cantidad de calor se debe agregar 0 ex traer de una sustancia para que
cambie de una condicion a otra. Los cambios
en las condiciones que experimentan los liquidos Y los gases se Haman procesos. En la mayo·
ria de los procesos de refrigeracion, cuando se
agrega 0 remueve calor, cambia la ental pia de
Ia sustancia. En este caso, la ecuacion de la
energia se convierte en
calor agregado
en donde
0
removido
=
carnbio de entalpia
Q = m(h2 - h1)(2.2)
Q = Cantidad neta
TTl
de calor agregado 0 removido de la
sustancia, en
Btu/hr
cantidad de
flujo de masa,
en lb/hr
cambio de la
entalpia especifica de la
sustancia, en
Btullb
Las tablas 0 diagram as de las propiedades
pueden utilizarse junto can la ecuaci6n 2.2, a
fin de calcular e1 calor agregado 0 rernovido. Se
debe observar que las tablas de las propiedades saturadas indican las entalpias especificas,
Objetivos I 45
i
~
II
I
I,
I
!
tf
I
j
tanto del Iiquido saturado (111)como del vapor
saturado (hg). Los valores del liquido saturado
que se indican en la tabla, pueden asimismo
utilizarse en el caso de Iiqu idos subenfriados
sin que haya una perdida significativa en cuanto a exactitud. Sin embargo, estas tablas no se
pueden utilizar can vapores sobrecalentados.
En este caso se utilizaran otros diagramas mas
adelante.
La entalpia real de una sustancia s610 tiene
valor cero cuando se halla a la mas baja ternperatura que puede existir, que es el cera abo
soluto (- 460°F), deb ida a que a dicha
temperatura no existe movimiento molecular
alguno. En todos los problemas de refrigeraci6n solo in teresa el cambia de entalpia de una
temperatura a otra, Par consiguiente, la ternperatura correspondiente
al valor cero de
la entalpia espedfica se puede fijar arbitrariamente. En el caso del agua, se fija gene·
ralmente a 32°F para el liquido saturado; en
el caso de los refrigerantes, a - 40°F para el
liquido sarurado,
Q = 111 (hi - II'.!.)
== 40,000 Ib/hr x 15.02 BLU/lb
= 60 1,000 Btu/hr
601,000 Btu/hr x
=
50 toneladas
=
601,000 Btu/hr
=
176 kW
Solucum Se utiliza la ecuaci6n 2.2, despues
de cambiar unidades y obtener las entalpias
iniciales y finales en el apendice 3.
m = 80 GPM
=
x
500 lb/hr
1 GPM
de agua
40,000 Ib/hr
Del apendice 3:
h1 - 1z';2
= 28.06 - 13.04 = 15.02 Btu/lb.
Se debe observar que se utilize hi - h'!. en
lugar de h'J. - hj,( para as! evitar tener un
signo negativo en el resultado). Se utiliza la
ecuad6n 2.2 y se tiene:
(On
12,000 BlU/h1-
I kW
X -----
:1410 Btu/hr
Ejemplo 2.12 El vapor saturado a llOuF del reo
frigerante R·502 se condensa y luego se enfr'Ia
a SooF. (Que cantidad de calor se remueve por
libra?
Solucum La entalpia inicial es la del vapor
saturado a 110°F, y la entalpia final es la del
liquido a 80uF.
Se utiliza la tabla del apendice 7, y se tiene
que:
Q
It'.!. = 87.26 - 31.59
355.67 Btu/lb
= h, =
Ejemplo 2.11 Un enfriador de agua enfria SO
GPM (galones par minute) de agua, de 60°F
a 45°F. cCual es la capacidad de enfriamiento
del equipo, expresada en Btu/hr. toneladas de
refrigeraci6n y kW?
I
=
2.10 Calor especifico: la ecuacion
del calor sensible
Si bien las tablas de las propiedades se pueden
usar para hallar el cambio de entalpia de un
liquido refrigerante, se dispone de otro metodo can el que no es necesario hacer usa de las
tablas. Este metoda permite comprender mejar los procesos, y par consiguiente se discu tira ahara.
El calor especifico (c) de una sustancia, se define como la cantidad de calor en Btu, necesaria para cambiar la temperatura de una libra
de la susiancia, un grado F (unidades U.S.),
a 59°F.
El calor especifico del agua es de 1 Btu/Ib
par ()F (unidades U.S.). En la tabla 1.1 se indio
can los calores especificos de algunas susrancias.
46 I Principios fisicos 2
Ecuacion del calor sensible. De la definici6n del
calor especifico se deduce que la cantidad de
calor necesaria para cambiar m libras de una
sustancia, de una temperatura a otra es:
Q
==
III
X
ni
x
C
x CT
c X (1.2' t])
(2.3)
la diferencia entre la entalpia del vapor sarurado (hg), y la del liquido saturado (hj).
Es conveniente expresar la ecuaci6n del calor sensible en GPM para la cantidad de flujo,
yen toneladas de refrigeraci6n para la cantidad del calor, particulamente cuando se trata
de aplicaciories en el enfriarniento de agua_ Se
utilizan las conversiones y se tiene que:
en clonde
Q
cantidad neta de calor agregado () removido en Btu/hr
cantidad de flujo de rnasa de Ja sustancia en Ib/hr
'-: - I] = carnbio de lempel-atura de
la sustancia en OF
11/
CT
A esta ecuacion se Je llama ecuacion del calor
sensible, ya que se aplica tanto a un proceso de
culenramiento C0ll10 a uno de enfriarniento,
endon de la temperatura de la sustancia cambia
pero no tiene lugar ningun cambio de estado.
12,000 Btu/hr = 1 ton de refrigeracion
1 GPM = 500 lb/hr de agua
gal
8.34 lb
60 min
(l -.
x
x
= 500 Jb/hr)
min
gal
1 hr
y con el calor especifico del agua, C = 1 Btu/lb
por OF, si se sustituyen estos valores en la ecuacion 2.3, esta se convierte en
Toneladas
de refrigeraci6n
=
GPM x CT
24
(2.'1)
En donde toneladas
=
Ejemplo 2.13 Resolver el ejemplo 2_11, utilizando la ecuacion 2_:~_
GPM
SO/lIci£111 Se uti lizan.Jos valores correspondieutes a m, I] }' 1'2 del ejemplo 2.1 1, y se tiene que:
CT
=
cantidad de calor removido, en toneladas de refrigeraci6n
cantidad de flujo del
agua helada, en GPM
cambio de la temperatura del agua, en
OF
Q=
x CT
Ib
Btu
.
~ 0
x (bO - 4::» F
= 40.000 x I --Ib - OF
.
hr
= 600,000 Btu/hr
/1/ X C
Se debe observar que este resulrado se aproxirna 11111cho
al que se obtuvo ut ilizarido las tabIas de las propiedades. En realidad, las tablas son
mas exactas debido a que el calor especifico de las
sustancias varia ligerarnente con la temperatura.
Por supuesto que la ecuacio n del calor sensible no se aplica cuando hay un carnbio de estarlo. En este caso se utilizan las tablas. Debe
observarse que las tablas de laspropiedades
saturadas por lo general indican elcalor latente
de evaporacion (hi!;)' el cual es par definicion,
2.11 Calores latentes de fusion y
sublimacion
de estado de una sustancia, de un
liqu ido a un gas, implica ganancia de calor larente de vapcrizacion. La temperatura de una
sustancia en estado s6lido aumenta cuando se
le agrega calor a la misma (calor sensible), pero.
una vez que alcanza cierta temperatura, esta no
aumenta cuando se le agrega mas calor; sin embargo; Ia sustancia empieza a cambiar a su estado liquido (se d err ite). Si se lleva a cabo el
proceso inverso, 0 sea que se rernueve calor de
un liquido, su temperatura bajara, pero finalmente este se solidificara.
Elcambio
Objetivos 147
El calor que acompaiia al proceso de fusion 0
congelaci6n se conoce como calor latente de
fusion.
En el caso del agua, el calor laterite de fusion
es de 144 Btu/lb. Cuando hay un cambio sensible de calor en un solido (cambio de temperatura), se puede utilizar Ia ecuaciori del caJor
sensible (2.3).
A presiones y temperaturas muy bajas, es
posible cambiar algunas sustancias directarnente del estado solido aJ gaseoso. Este proceso se
llama sublimacion. Se utiliza en el secado por
congelacion de los aJimentos, a fin de censervaT el buen sabor y la buena apariencia. Pr imero se congela el aJimento y luego se evapora
eI hielo presente en el mismo directamente para formar un vapor, a una presion muy baja.
2.12 La ley de los gases perfectos
(ideales)
En ciertas condiciones, Ja presion, volumen y
temperatura de los gases estan relacionados
por una ecuaci6n llamada ley de los gases perfectos 0 ideales. La ecuacion de los gases perfectos
se puede expresar mediante la ecuacion
pV = mRT
(2.5)
en donde
p
presion absoluta, en Jb/pie2
V = volumen, en pie '
nt = peso del gas, en Ib
R . = constante del gas
T = temperatura absoluta, oR
Si solo carnbian dos de estas tres variables, la
ecuacion se simplifica. Si la temperatura es
constante,
h.
PI
-=-
\I,
(2.7)
V'2
Si el volurnen es constante,
P2
T':2.
PI
T,
-=-
(2.8)
Si la presion es constance,
-=-
(2.9)
En las condiciones que existen en muchos sistemas de refrigeracion, con frecuencia los gases
refrigerantes no se cornportan como gases perfectos. En estas circunstancias, es preciso ha llar
las propiedades en tablas 0 graficas. No obstante, cuando se estudia el proceso de refrigeracion
por cornpresion (capitulo 5) se vera que las
ecuaciones que relacionan presion, temperatura y volumen, seran utiles para la cornprension
del funcionamiento de los compresores.
2.13 Utilizacion de Ia energia
(segunda ley de la
terrnodinamica)
=
AI reordenar los terrninos de la ecuacion,
para dos condiciones diferentes del gas, 1 y 2,
resulta Ia siguiente ecuacion:
. P'2V2.
p,V,
--=--
T2
(2.6)
T,
La ley de los gases es util para haJlar los cambios de p, 11Y T, para condiciones de cambio.
Ya se estudio como la primera ley de la terrnodinamica se puede usar, en la forma de la ecuacion de la energia, para resolver problemas de
refrigeracion. Basicamente, esta ley proporciona informaci6n que permite calcular la cantidad de energia utilizada para efectuar una
tarea dada (la potencia necesaria para mover
un compresor, la capacidad. de una maquina
de refrigeraciori). Sin embargo, no es capaz de
dar respuestas.a preguntas tales como '\:de que
manera se puede reducir el consumo de energfa de un sistema de refrigeraciori?"
La cornprension y aplicacion de la segunda
ley de la termodinamica, perrnitira investigar
48 I Principios fisicos 2
problemas
que c:onciernen a una uti lizacion
nuis eficiente
de la energia.
Actu almente. la
conservacion de lu energia es motivo de un rnayor in t ere s )' preocupacion. Desafortunadamente, las acciones para lograr esto se han
efectuado a veces en forma caprichosa, debido en pane a fa Ialrn de comprension de la segUl1cla ley de lu tcrmorlinam ica.
Si bien esta segunda ley se puede expresar
su ut ilizncion no resulta
senci Ila en e I ,111,11 isis de la uti Iizucion cle la
euergia. Por cOl1siguieme, se enu nciariin algunos principios derivados de la segunda ley. A
In brgo de la obra se indican pasos a tornar
para la conservacion de la energia, basados muchos de elIos en estas conclusiones. Entre las
conclusioues que se pue den derivar de la segu nda ley, se hallan los puntos siguientes:
como unu ecuucion,
1_ Siempre que se util iza In cnergia terrn ica
para realizar trabnjo, se pierde una parte de
In misma, y nunca se dispone de ella en su
rotalidad para Ull fin provechoso. Por ejemplo. si se utiliza un motor para mover un
cOll1presor de refriger.icion. solamente se
aprovechn una parte de Ia e nergia presente en el combustible; el resto se desperdicia,
') Se puede cakular la maxima cantidad posible
de la encrgia de que se puede disponer en
u n dispositive productor de potencia, como
un motor 0 una turbina. Esto es, se puede determinar el mayor rendimicnto posible. y
compararlo con e1 de una instalaci6n real.
:~. Se puede calcular In canridad minima posible de cnergia necesarin para producir una
dererminada canridad de refrigeraci(m, y
comparada con la del sistema real.
Un cierto I1l1111ero de efecLOsfisic05 ine\'er~ibles ocasionan lIna perdida de la energia disponible para realizar rrabajo, U ol"iginan till
aumenw cle la energia necesaria para producir una cantidad dada de refrigeraci6n. Los
~jelllplos de ]a manera e!1 que estos factores
pueden afenar el renclimiento de los sistemas
de refrigeracitm. se indicanll1 en el mom·ento
apropiado. Estos efectos no se pueden evitar,
pero se deben reducir a un minima. Entre ellos
se incJuyen los siguientes:
1. Diferencia de temperatura. Las gt-andes diferencias de temperatura causan grandes perdidas durante la transferencia de calor. POl'
consiguiente, la diferencia de temperatura
se debe mantener tan pequefia como sea
practice, por ejernplo, en los evaporadores
y condensaclores.
2. Friccitin. La friccion causa perdida de la
energia util y por consiguiente debe reducirse al mini mo. POl' ejemplo, la limpieza
periodica de las paredes de los tubos evita
que se acumulen e incrusten los sedirnenlOS. De esta manera se reduce la fricci6n )'
se pierde menos energfa en el bombeo.
~~.Expansion rdpida. La expansion subita de un
fluido de una presion alta a una presion baja, Hamada a veces estrangulaciori, es un
proceso que desperdicia parte de la energia disponible en el fluido a alta presion, y
que podria utilizarse para realizar trabajo.
EI proceso de estrangulacion, que es importante en los sistemas de refrigeraci6n, se
discutira mas adelante.
4. Mezcla. La mezcla de los fluidos da por resultado una perdida de la energia (nil disponible para realizar trabajo.
Cualquier proceso que tiene lugar sin ninguno de estes efectos se conoce como un proceso reversible. Si bien un proceso de este tipo
constituye un caso ideal, el cual es imposible
de realiwr, siempre se procUl-a que los efectos
irreyersibles sean minimos en bien de la COllservaci6n de la energfa.
La e/ltropia es una propiedad fisica de las sus!ancias, relacionada can 1a utilizacion y la con·
seryaci6n de la energia. Se define como la
relaciot: entre el calor agregado a una sustancia y la temperatura a la cual se Ie agrega. Sin
embargo, esta definicion aqui no tiene ningu·
na utilidad. No obstante, es importante com·
prender que la entropia es una medida de la
Objetivo e I 49
energia
que no esui disponible
para realizar
trabajo.
En cualquier proceso que requiere trabajo,
como la operacion de un compresor de refrigeraci6n, se requerira la menor cantidad de
trabajo, si no cambia la en tropia del fluido. Esto se conoce como un proceso a entropia constante 0 isentropico, En un proceso a entropia
constante, no se agrega ni se remueve calor de
Ia sustancia (este proceso se conoce como adiabdtico) y no hay efectos irreversibles (por ejemplo, la friccion).
Un proceso a entropfa constante es un proceso ideal reversible que en realidad nunca
puede realizarse. No obstante, su estudio presenta un objetivo que se pretende conseguir.
En cua.lquier proceso real donde se requiere
trabajo, aumenta la entrcpia, procurandose
mantener al minirno este aumento.
Las aplicaciones practicas de la prirnera y
segunda reyes de la terrnodinamica se discuten
con mucho mayor detalle en capitulos subsiguientes.
Ejemplo 2.14 Un contratista en instalaciones
puede utilizar tuber ia de cobre 0 de acero del
mismo diametro, en un sistema de agua helada.
~Cual sera la mejor selecciori, a fin de lIevar
al minirno el consume de energia de la bomba?
Solucum La tuberia de cobre tiene una super.
ficie mas lisa, y por consiguiente tiene menos resistencia a la friccion que la tuberia
de acero. La energia requerida por la bam·
ba sera menor si se utiliza tuber ia de cubre,
de acuerdo can la segunda ley de la te'rrnodinamica.
2"14 Transferencia de calor
Ya se definio al calor como una forma ele eriergia que fluye 0 se transfiere de un cuerpo a
otro, debido ala diferencia de temperatura entre los rnismos. La transferencia de calor es eJ
estudio de la manera como fluye el calor, )' de
los procedimientos para calcular el regimen de
transferencia de calor, 10 cual es de vital importancia en la refrigeracion.
La transferencia de calor puede tener lugar
de tres rnaneras posibles: conduccum, conueccion
y radiacion: En la transferencia par conduccum,
el calor se transfiere a traves de una sustancia,
sin que exista nirigun movimiento de la misrna. La energia se transfiere internarnente mediante el movimiento de las moleculas. Esto
ocurre por 10 general en los solidos. Como
ejemplo, se tiene la transferencia de calor
a traves de las paredes de un alrnacen refrigeraelo.
Condensador del refrigeranle, dellipo de
convecci6n natural enfriado par aire
Figura 2.9 Transferencia de calor por convecci6n
natural, del refrigerante en un condensador enfriado par aire.
50 I
:...
..:
,."
'i;
Principios fisicos 2
En la tr.msferencia por conueccum, el calor
se tr.msfiere mediante el movimiento de un
flu ido, ya sea u n liquido () un gas. En Ia (OJl1!('(,'
cion natural, la circulacion del flu ido tiene lugar dehido a difere ncius en la densidacl del
rnismo, resultantes asirnismo de las diferencias
de temperatura. Un flui do a una ternperatura nuis elevarla t ie ne una mellor densidad, y
pOl' tanto se eleva. POI' ejemplo,
en un condensador de conveccion natural enfriado pOl' aire,
el refrigeranle caliente eleva la temperatura del
uire ambiente rercano al condensador. Este
<lire, que ahora esui nuis caliente que el aire
m.is npnrtudo, se eleva conduciendo calor. Entouces, el aire 111.15 frio fluye para ocupar su
lugar (figura 2.~»).
En la (,OIlV('('('i!JU [oruula, la circu lucion del
fluido se obtiene mecanicamente, por 10 gene'
ral mediante una bo mba () un venrilador.
La radincion es la forma de transferencia
de
calor entre los objeios. la cual riene lugur a tran:'s del espacio mediante un movimienro
ondul.uorio.
xin que se caliente el espacio
intermedio. como en el caso de la radinciou
dcsde el sol a lu tierra.
La transferencia de calor se discutira con mao
yOI' detalle cuundo
se estudien equipos rail'S
C01110 los evaporadores
y los condensadores y
cu.mdo se estudie la carga de refrigeracion.
PREGUNTAS
DE REPASO
1. Enumernr torlos los cornentnrios que se pue·
clan hacer ncercu del enunciado: "el agu<1
hierve a 212"F."
l)
,Cu.iles son los tres estados cornunes (fuses).
en los que puede existir 13 materia?
:L cCu~ilesson los nombres que se utilizan, pa·
ra hucer referenda
a los cambios de esra··do. de un liqu ido a un gas y de tin gas a u n
liqu ido?
-l. Definir: condicion saturada, condicion sobrecaIt'll/ada
:1.
y
('()/Idici!jJ/
Sli{}{'/~/i-j{/da.
Explicar que quiere decir cambio de calor
sensible y cambio de calor 1~1[e!1[e.
6. (Como puede la ebullicion producir refrigeracion?
7. Explicar las tres maneras en que puede tener lugar la transferencia de calor. Dar dos
ejemplos cle cada una de estas, hasan dose
en la propia experiencia (y no en procesos
tecnicos).
8. ,Que importancia tiene el concepto de entropia?
PROBLEMAS
2.1 (Cual es la temperatura del punto de
(saturacion) del agua a las presiones
de 7.5 lb/pulg2 abs y 67.0 lb/pulg2abs?
2.2 (A 2701lF Y50 Ib/pulg2abs, el agua es un
liquido o un vapor?
2.3 Determinar los siguientes valores para
el- refrigerante R-22, en unidades U.S.
a. Temperatura
de evaporacion (ebu lliciori)
ebullici6n
a 83.2 Ib/puIg:!abs
b. Temperatura
de condensacion
a 250
Ib/pulg2abs.
c. Estado (liquido 0 vapor) a 20°F y 50
Ib/puJg2abs.
d. Estado (Iiquido 0 vapor) a 171 lb/pulg '
abs y gOOF.
e. Presion de saturacion a 115()F.
2.4 Determinar los valores siguientes para
el refrigerante R·12. en unidades 51:
a. T~mperatura de evaporaci6n a 252 kPa.
b. Temperatura
de coridensacion a 706
kPa.
c. Presion de saturacion
a 12°C.
d. Esrado (liquido 0 vapor) a 35°C)' 760
kPa ..
e. Estado (liqu ielo 0 vapor) a 410 kPa y
-uo-c.
2.5 Dererrninar los siguientes valores para
el refrigerante R·717 en unidades U.S.:
a. Tem peratu ra de coridensacion
a 172
Ib/pulg:!abs.
b. Temperawra
ele evaporacion
Ib/pulg:!abs_
c. Presion
de saruracion
a 37°F
a 16
Problemas I 51
0 vapor) a - 36°F Y 9.5
Ib/pulg2abs.
2.6 Un enfriador de agua enfria 110 GPM
de esta, de 55°F a 42°F. Deterrninar la capacidad del enfriador en Btu/hr, toneladas de reo
frigeraci6n y kW
2.7 Un enfriador con una capacidad de 150
toneladas de refrigeraci6n enfria 320 GPM de
agua, la que entra al enfriador a 52°F ~A que
temperatura sale el agua del enfriador?
2.8 Determinar los siguientes valores para
el refrigerante R-502, en unidades U.S.
a. Entalpia delliquido saturado y del vapor
saturado a 84°F.
b. Calor latente de vaporizaci6n a 44°F.
d. Estado (Iiquido
c. Entalpia del Iiquido saturado, vapor saturado y calor latente de vaporizaci6n a
-8°F.
2.9 Determinar los valores siguientes para
el refrigerante R-12 en unidades SI:
a. Entalpia delliquido saturado y vapor saturado a - 12°C
b. Calor latente de vaporizaci6n a 26°C.
c. Entalpia del liquido saturado, vapor saturado y calor latente de vapor izaciori, a
40°C.
2.10 Una unidad de refrigeraci6n tiene una
capacidad de enfriamiento de 327,000 Btu/hr.
Expresar esta capacidad en toneladas de refrigeraci6n y en kW.
f.
Capitulo
EL SISTEMA DE REFRIGERACION
POR COMPRESION DE VAPOR:
DIAGRAMAS DE PRESION-ENTALPIA
7. Utilizar el diagrama p-h para mostra r los
procesos y deterrn inar los cambios en las
propiedades,
El metoda mas utilizado para producir refrigeracion mecanica se conoce como el sistema
de refrigeraci6n par cornpresion de vapor. En
este capitulo se explica como se obtiene la reo
frigeracion par este metodo, y cual es el equipo necesario para llevarla a cabo. Tarnbien se
incluyen algunos de los calculos basicos utilizados para determinar el rendimiento del
sistema.
3.1. Refrigeracion por vapor'izacirin
de un liq,!ido
En el capitulo 2 se dio una breve explicaciori de
como la vaporizacion de un liquido da pOT resultado un prf}c~so de refrigeracion. Ahora conviene hacer un analisis mas detallado, utilizarido
un ejemplo especffico. Se hara la suposrcion
que se tiene un tanque lIeno de refrigerante
liquido R-12, a la presion relativarnente alta de
200 Ib/pulg'' abs, y a una temperatura amb iente de 80°F, como se muestra en la figura 3.1. Se
observara que el refrigerante debe estar en estado liquido, puesto que la temperatura de saturacion (ebullici6n) a 200 Ib/pulg2 ahs es de
alrededor de 132"F. La salida del tan que se conecta en A, mediante una valvula, a una tuberia
B-C. La presion circundante es la atrnosferica,
14.7 lb/pulg ' abs. Cu ando se abre la valvula, el
refrigerante fluye, por supuesto, a traves de la
tuber ia, debido a que la presion en el tanque es
mayor. La disposici6n del aparato provee asimisrno 1a circulacion de u n fluido poria pane
exterior de la tuberia, por ejemplo, aire 0 agua.
Este fluido es la sustancia que se debe enfriar.
OBJETIVOS
EJ estudio de este capitulo perrnitira:
1. Ideritificar los procesos que imervienen en
el sistema de refrigeracion por cornpresion
de vapor.
2. Dibujar e identificar los componentes y tuberias que integran eJ sistema de refrigeraci6n por com presion de vapor.
3. Explicar como se elabora el diagrama p-h.
4. Utilizar el diagrama p-h para leer los valores de las propiedades.
5. Explicar que es la calidad y como se determina en el diagrama p-h.
6. Utilizar el diagrama p-h para hallar el calor
latente de vaporizacion y de sobrecalentamien to,
53
~
L
54 I Sistema de refrigeracion por compresion de vapor
Calor absorbido a
partir del ambiente
a medida que se
evapora el liquido
B
R-12 Iiquido a
200 Ib/pulg2
abs. y BO°F
: ..
"
~
,"
'
..
Vapor a
14.7
Ib/pulg2
abs. y
-22°F
'---_,_-----{Z~~~~~}
El proceso de expansion. Tan pronto como el refrigerante Iiquido fluye desde el tanque a traves de Ia abertura pequeiia y restringida de la
valvula, su presi6n disminuye inmediata y bruscamente en B, a aproximadamente la presi6n a
la que esta expuesto el tubo en C, 14.7 lbrpulg '
abs. Esta presi6n es mucho mas baja que la presion de saturacion del R-12 a la temperatura
de 80°F. (La presion de saturacion a·80DF es
alrededor de 99 lbrpulg'' abs, como se puede
ver en el apendice 5). Por consiguiente, el refrigerante ernpezara a hervir, y se convertira
subitamente en un gas_Esto ocurre debido a
que la nueva presion (14.7 lbrpulg ' abs) no es
10 suficientemente elevada para irnpedir el rapido escape de las moleculas desde la superficie del liquido.
Cuando el liquido empieza a hervir, absorbe calor (calor latente de vaporizacion), Este
calor se obtiene del propio refrigerante, que
-esta a una temperatura relativamente elevada
al entrar a la valvula.Esto da por resultado que
el refrigerante se enfrie a la temperatura de
saturacion correspondiente a la presion inferior, al salir de la valvula. En este caso, dicha
temperatura es aproximadamente de - 22°F,
a 14.7 Ib/pulg2• La porcion del refrigerante
que se vaporiza al fluir a traves de la valvula,
se llama gas de vaporizaci6n siibita. La propor·
cion que se vaporiza siibitamente representa
la cantidad requerida para enfriar la mezcla total de Iiquido y vapor hasta la temperatura de
evaporaci6n. Asi es como se obtiene la baja
temperatura necesaria para la refrigeracion.
Figura 3.1 Hefriqeracion obtenida por la vaporizacion
(ebulliclon) de un liquido.
Debido a que el refrigerante fluye a traves
de la valvula con gran rapidez y a que la valvula
tiene un area superficial muy pequefia expuesta
al medio ambiente, no existe practicamente
transferencia alguna de calor al refrigerante
desde el exterior, al fluir a traves de la valvula.
Esto es, el proceso A-B es adiabatico. Debido
a que no hay sransferencia de calor hacia 0 desde el refrigerante, la entalpia del mismo no
cambia cuando fluye por la valvula. Esto es, el
proceso A-B es de entalpia constante. Esta
conclusion se deduce del conocimiento que se
tiene del equilibrio de la energia. Nose agrega ni
se retira energia alguna del refrigerante; por consiguiente, su contenido de energia almacenada,
incluyendo la entalpia, sigue siendo el mismo.
El proceso de eoaporacion. La refrigeracion realmente util tiene lugar en la tuberia B-C. El
fluido circundante que pasa por el exterior del
tubo esta a una temperatura mas elevada que
la del refrigerante. Por consiguiente, el calor
pasa del fluido al refrigerante a traves de las
paredes del tubo, enfriandose as! el fluido. De
esta manera se obtiene la refrigeracion deseada. EI refrigerante en el punto B es todavia en
su mayor parte liquido, con excepcion del gas
de vaporizacion subita. EI calor que adquiere
el refrigerante liquido hace que este se evapore al pasar por la tuberia. Esta tuberia, u otro
equipo similar, se conoce con el nombre de
evaporador. En un sistema real, por 10 general el refrigerante sale del evaporador como
vapor, ya sea saturado 0 sobrecalentado.
Objetivos I 55
3.2 Recuperacion
del refrigerante
La disposicion que se muestra en la figura :3.1
produce refrigeracion,
pero tiene algunas defieiencias inaceprables. Resulta obvio que, una
vez que el refrigerante escapa al ambiente, no
se puede recuperar. Es posible reponer el refrigerante perdido, pem su costo es prohibitivo.
Ademas, la temperatura de evaporacion
esni
limitada a la temperatura de saturacion del reo
frigerante, ala presion atmosferica. Esta condicion limita las temperaturas a las que se desea
enfriar la sustancia refrigerada. Es precise haliar un media de recuperar el refrigerante para
su continua reutilizacion, La prirnera idea que
se presenta aeerea de como se puede lIevar a
aeabo esto, es sencillarnente
la de reeoger en
un recipiente el refrigerante en estado gaseoso
procedente del evaporador, para luego condensarlo de nuevo a su estado liquido original.
Para proeeder a 13 condensacion del gas, es
precise remover calor del misrno. Pero el gas
que sale del evaporador tiene una ternperatura de coridensacion
0 evapor izacion de aproximadarnente - 22°F, a 14.7 Ib/pulg2 abs. Por
consiguiente, a fin de poder remover calor del
refrigerante, se debe disponer de alguna sustancia euya temperatura sea inferior a -- 22°F,
hacia la eual fluya eJ calor. Esto es improbable
en extrerno, Por otra parte, si se dispusiera de
una sustaneia con esta temperatura tan baja, se
podrfa utilizar, en primer lugar, para obtener
el enfriamiento, eliminando asi la neeesidad
de utilizar eJ equipo deserito.
El compresor y el condensador. La imposibilidad
de aplicar el metodo que se acaba de describir
sugiere una solucion practica del problema.
Como ya se explico en el capitulo 2, la temperatura de saruracion (condensacion) de los fluidos
aumenta con eJ aumento de la presion. Por
consiguiente, la soluei6n eonsiste en elevar la
presion y temperatura del gas hasta un nivel
sufieientemente elevado, para luego remover
caJor del mismo, utilizando un medio de enfriamiento como el aire 0 el agua, a una ternperatu-
ru disponihle
en el merl io amhierite
natural.
St'
utiliza el eOlllpresor para elcvur la presi{>11del
refrigerante
en estado gaseoso. EI gas a aha
pres ion pasa en to n ces al con clensuclor. EI C() 11clcnsador se utiliza para remover calor del 1TFrige rante. 10 cual hace (Iut: se conrlcnsc-. EI
refrigerante se halla entonces en sli cnndi ciou
original, listo para su reutil izucion. Ahora COIlviene explicar como Iuncionu carla parte- del
equipo en comb inacion con los clenuis, co mo
un sistema complete operando cuntinuamc-nn-.
3.3 EI sistema de refrjgeracion
por cornpresion de vapor
En la figura :~.2 se muestra la disposicion del
equipo y de la tuheria de interconexion
del sistema basico de cornpresion de vapor. Se se lcccionaron condiciones tipicas de operacio n, a
fin de hacer mas practica la discusion.
Los cu atro CO III ponentes basicos del sistema
son: el dispositiuo de expansion (tarnhien se le llama dispositiuo de control defluio, ruaporador, com/JreSOT y condensador.)
El proceso A-B, a traues del dispositivo de controldeflujo. EI refrigerante liquido R-22 en tra
al dispositivo
de expansion en el punto A, a
216.0 lb/pulg" manomet (presion manometrica) y 96"F. Existen diversos dispositivos de
expansion; los mas comunes son la valvula
de expansion y el tubo capilar. (Los dispositivos de expansion se describen en detalle en el
capitulo 8.) En cualquier caso, el dispositivo de
control de flujo tiene una abertura estrecha,
10 que da por resultado una gran perdida de
presion al fluir el refrigerante a traves del rnismo. EI refrigerante sale por el punto B, a 25.7
Ib/pulg" manomet. Debido a que esta presion
es inferior a la presion de saturacion conespondiente a 96°F, una parte del refrigerante
liqu ido se vaporiza inmediata y subitamente a
gas. La porcion del liquido que se evapora toma el calor laten te necesario para su evaporacion de la mezcIa que fluye, enfriandola de esta
manera. EI refrigerante sale de la valvula co-
56 I Sistema de refrigeracion por compresion de vapor
Agua de enfriamiento
86°F
94°F
®
Condensador
Gas a 216.0
Ib/pulg2 man.
y 170DF
Compresor
o
(R-22t
Dispositivo de
expansion
®
©
Uquido
subenfriado a
216.0 Ib/pulg2
man. y 96°F
Mezclade liquido
y gas a 25.7
Ib/pulg2 man. y
2°F
Gas a 25.7
Ib/pulg2 man. y
2DF
EI aire enfriado de 15°F a 10°F
Figura 3.2 Sistema baslco de refriqeracion par
cornpreslon de vapor, con un ejemplo de las posibles condiciones de operaclon.
mo una mezcla de liquido y vapor en estado
saturado. La temperatura de saturacion correspondiente al R·22, a 25.7 Ib/pulg2 man, es de
2°F; por consigu iente, esta es la temperatura
del refrigerante en el punto B.
Ejemplo 3.1 En un sistema de refrigeracion, entra refrigerante R·502 al dispositive de control
La presion de saturacion a 94°F es de 213
Ib/pulg2 abs. La presion a la salida del control de flujo es de 67 Ib/pulg2 abs, muy par
debajo de la presion de saturacion correspondiente a 94°F; par tanto, el refrigerante
empieza a vaporizarse subitamente, EI estado a la salida del control de flujo, es una
mezcia de liquido y vapor.
Se ve en el apendice 7, que a 68 Ib/pulg2
abs, la temperatura de evaporacion es de
20°F.
de flujo, a 231 Ib/pulg2 abs y 94°F. La presion
a la salida del control de flujo es de 67 lb/pulg"
abs, 2Cmll es el estado del refrigerante a la entrada y salida del dispositive de control de flu.
jo? (eual es la temperatura de evaporacion?
El proceso B-:-C a traues del eoaporador. El reo
al apendice 7, y
se observa que la temperatura de saturacion
a 231 lb/pulg" abs es de lOO°F. POl' consiguiente, el refrigerante a 9Ll°F es un liquido subenfriado, antes de entrar al contra] de
flujo.
frigerante fluye a traves de la tuber ia del
evaporador, de B a C. La sustancia que se
debe enfriar, generalmente aire 0 un Iiquido, fluye por el exterior de los tubas. Se ha·
lla a una temperatura mas elevada que la del
refrigerante
dentro del evaporador, Por
consiguiente, el calor fluye de la sustancia
Solucion Se haee referenda
Objetivos I 57
al refrigerante,
a traves de la pared del tuho. En este caso, e) aire se enfria, de ] 5"F
a 10°F. Debido a que el refrigerante
liquido dentro del evaporador
ya se encuentra
a su temperatura
de saturacion (su punto de
ebullicion), el calor que gana haec que se
eva pore al pasar por el evaporador. Por 10
general, el refrigerante sale del evaporador
ya sea como un vapor saturado 0 un vapor
sobrecalentado.
El proceso C-D a traues del compresor. EI
compresor hace entrar al vapor por e1lado
de la succion, para luego comprimirlo a una
presion elevada, adecuaela para efectuar la
condensaci6n. Esta presion es aproximadamente iguaJ a la cual entro al dispositive de
control de flujo, 216. lb/pulg~ man. (En realidad, la presion es ligeramente mayor que
este valor, como se explicara en breve). Se
requiere trabajo para eomprimir el gas; este trabajo procede de un motor 0 una rnaquina que mueve el compresor. Este trabajo
contribuye a aumentar la energia alrnacenada del vapor comprimido, resultando en un
aumento de su temperatura. En este ejernplo, el refrigerante sale del compresor a
170°F en el punto D, yen una condicion de
sobrecalentamien to.
Ejemplo 3.2 Un compresor centrffugo descarga refrigerante
R·Il a 22.64 Ib/pulg2 abs y
120°F. (Cuantos grados de sobrecalentamiento tiene por encima de su temperatura
de saturacion?
Solucum En el aperidice 4 se ve que la ternperatura de saturaci6n a 22.64 Ib/pulg2 abs
es de 9soF. El refrigerante tiene un sobreealentamiento
de 120 - 9soF = 22°F.
El proceso D-A a traues del condensador. El gas a
alta presion que descarga el compresor fluye
a traves de la tuberia del condensador, de D
a A. Un fluido, tal como el aire 0 el agua, fluye
por el exterior de la tuber ia. En este ejemplo
se utiliza el agu<l, la cual se e ncuentra dispo nible a una temperatura de 86°F. EI calor fluye a
traves de las paredes del Who, desde el refr igernnte a mayor temperatura hasta el agua de ellfriamiento. Como el refrigerante esta sobrecalentado cuando entra al condcnsador, pri mero se enfria hasta gue alcanza 5U ternperatura de saturacion,
la cual es de l06"F a 21 ().O
Ib/pulg~ manomet. La rernocion adiciona1 de
calor resulta en la coridensacion
gradual del
refrigerante, hasta que se licua en su totalidud.
EI refrigerante puede salir del condensaclor como un Iiquido saturado () subenfriado. En este
ejemplo se supone que se subenfria hasta 91)°F,
antes de entrar al dispositivo de control de
f1ujo.
3.4 EI lado de alta y el lado de baja
La presi6n existente entre la descarga del cornpresor y la entrada del dispositive de control
de flujo se conoce como la presion dellado de
alta, 0 presion de condensacion. La presion entre la salida del dispositivo de control de flujo
y la entrada de succion del compresor, se conoce como la presion del lado de baja 0 presion de evaporacion, A menudo se utilizan los
terrninos lado de baja y lado de alta para refer irse a estas dos partes del sistema.
En realidad, la presion no es precisamente
constante tanto en el lado de alta como en el
lado de baja; por ejemplo, es inevitable una ligera caida de presion como resultado de la friccion en la tuber ia. No obstante, se supondra
por el momento, que s610 existen las dos presionesen el sistema. Las pequefias variaciones
que realmente tienen lugar se trataran mas
adelante.
Ejemplo 3.3 Se supone que la presi6n en el lado de alta de un sistema de refrigeracion, el
cual utiliza refrigerante R·717, se debe mantener a un valor no mas alto que 172 Ib/p(llg2
abs. EI agua de enfriamiento c1isponible para
la condensacion esta a gO°F. ,:Se puede mantener la presion en el lade de alta?
58 J Sistema de refrigeracion
pOI'
cornpresion de vapor
Solucum En el apendice 8 se observa que la
presion de saturaciori (de coridensacion) a
172 Ib/puIg2 abs, es de 87°F. El agl.l3 de
enfriamiento para la condensacion debe estar a una temperatura mas baja que este ultimo valor; por tanto, no se puede mantener
la presion. (Esta se eleva a un valor algo mas
alto que el que corresponde a gO°F, puesro
que debe existir una diferencia de temperatura entre el refrigerante y el agua, para
que el calor pueda fluir).
Se debe observar que en eJ caso que se muestra en la figura 3.2, la presion del evaporador
no esta a la presion atrnosferica, como sucede
en el caso en que el tanque del refrigerante descarga a la atmosfera circundante, a traves de
la tuberla. La accion del compresor, al atraer
el refrigerante a su lado de succion.junto con
la-capacidad de ajustar la abertura del dispositivo de control de flujo, hace posible controlar
la presion del evaporador, y por consiguiente, la temperatura hasta el valor deseado.
En este ejemplo, el evaporador y el con densador estan construidos en forma de un serpentin
tubular, a traves del eual fluye el refrigerante.
Si bien esta construcci6n es bastante cormin, especialmente euando el aire es el que se enfria, 0
cuando se utiliza como el medio de enfriamiento del eondensador, no es la iinica construccion
disponible. Se discutiran en detalle muchos
otros ti pes de evaporadores y condensadores,
No obstante, vale la pena observar que en todos los casos solo son simples cambiadores de
calor, en los cuales una sustancia se enfria )'
otra se calien tao
3.5 La tuberia y el recibidor
del sistema
En la figura 3.3 se muestran las conexiones de
las tuberias, entre los eomponentes principales
de un sistema, incluyendo un recibidor.
EI recibidor es un tanque utilizado para almacenar el exceso de carga del refrigerante
que no esta en circulacion en el sistema. Puede
asimismo servir para concentrar todo el refrigerante, de manera que se pueda remover cualquier parte 0 dispositivo del equipo para su
reparaci6n, sin tener que extraer todo el refrigerante del sistema. No siempre es necesario
que el sistema tenga instalado un recibidor,
puesto que algunos tipos de condensadores se
pueden u tilizar para almacenar el refrigeranteoEn algunos casos puede ser inconveniente
la instalacion de un recibidor. Este tema se discutira mas ade1ante.
La tuberia que va del evaporador al eompresor A se llama la linea de succum. La tuber ia entre el compresor y el coridensador (B) se llama
VALVULA DE
EXPANSION TEAMOSTATICA
DEL GAS CALIENTE. B
LINEA DEL
CONDENSADO. C
t
LINEA DEL LlOUIDO. D
~
Figura 3.3 Ejemplo del equipo y disposicion de la
tuberla de un sistema de compresion de vapor.
DEPOSITO
Objetivo>s I 59
la linea de gas caliente 0 linea de descarga. La tuberia que va del condensador al recibidor (C) se
llama la linea del condensado. La tuberia entre el
recibidor (0 el condensador, si no se usa el recibidor) y el dispositivo de control de flujo (D)
se llama La linea del liquido.
Las valvulas manu ales de servicio (de cierre)
se situan, como se muestra, a la entrada y salida
del compresor, excepto en algunas unidades de
poca capacidad. Tarnbien se coloca una valvula
manual de cierre en la salida del recibidor.
En Ia figura 3.3 no se muestran las valvulas
y accesorios adicionales, como el filtro, indicador de liquido y separador de aceite. El
uso de estos accesorios se discutira mas adelante.
3.6 EI diagram a de presion-entalpia
(diagrama de Mollier)
La propiedades de los refrigerantes se pueden
indicar en tab las 0 se pueden mostrar en una
.grafica, Como ejemplo de la forma tabular se
tienen, las tablas de las propiedades en condiciones saturadas. Existe una variedad de tipos
y combinaciones de diagramas de propiedades.
Al diagrama de mayor utilidad y que se usa con
mayor frecuencia en los calculos de refrigeracion, se le llama diagrama de presi6n-entalpia (Ph) 0 diagrama de Mollier. Se le llama diagrarna p-h porque las propiedades de presion
y entalpia -se muestran en los ejes vertical y
horizontal respectivamente. Otros diagram as
que ocasionalmente se utilizan son los diagram as de temperatura-entropia,
y entalpiaentropia. Estos no se discutiran mas en este
texto.
Antes de pasar a estudiar como se utiliza el
diagram a p-h para representar el cicio de refrigeracion, es necesario entender como se
construye y como se leen en el mismo los valores de las propiedades. En los apendices se
muestran los diagramas de presion-ental pia correspondientes a varios refrigerantes. Primero se explicaran 'Ias caracteristicas principales
de los diagramas p-h.
La linea de saturacidn y las regiones de liqieido y
vapor. En la figura 3.4 se representa un esque-
ma de la coristruccion basica de los diagramas
de presion-entalpia. Los valores de la presion se
sinian en la escala vertical, y los valores de la
entalpia en la escala horizontal.
Hay un concepto importante que es preciso comprender: un punto sobre el diagrama
representa la condicion cornpleta del refrigerante. Esto es, si se canoce un punto sob r e el
diagrama, es posible determinar todas las propiedades del refrigerante correspondien tes a
dicha coridicion particular.
La curva gruesa en forma de domo que aparece en el diagrama, representa todas las condiciones del liquido y vapor saturados, conespondientes al refrigerante.
La parte izquierda de la linea curvada indica
las condiciones del liquido saturado, y la parte
derecha indica las condiciones del vapor saturado. El pun to critico separa la linea del Iiqu ido
saturado de la linea del vapor saturado.
La region dentro del dorno representa todas
las posibles condiciones de las mezclas de Iiquido y vapor saturados. La region ala izquier da
de la linea del liquido saturado representa todas
las condiciones a las cuales pueden existir los
liquidos subenfriados, y Ia region a la derecha
de la linea del vapor saturado representa todas
las condiciones del vapor sobrecalentado. EI
punto critico representa un limite de temperatura y presion, por encima del cual eI refrigerante
existe en un estado tal, que no se puede distinguir el liquido del vapor. En los procesos de
refrigeracion, nunca se Ilega al punto critico.
3.7 Lineas de propiedades
en el diagrama de presion-entalpia
Las propiedades que se muestran en los diagramas p-h son: presion, entalpia, temperatura,
entropia y volurnen. Algunos diagramas muestran adernas la calidad.
La calidad es el porcentaje de masa de vapor en
una tnezcla de liquido )' vapor.
60 I Sistema de refr igeracion por cornpresion de vapor
/
Punto critico
Region del
liquido
subenfriado . .,~v
c
·0
·iIi
ill
a:
."If'
I::
·0
s
,~
'~
Q;-
!l.
'6
Region de
rnezcla del
liquido y el
vapor
Region
del vapor
.sobrecalentado
Entalpia
Figura 3.4 Forma de un diagrama de presionentalpia (P-h) que indica las regiones de liquido y
vapor.
Entalpia
Figura 3.5 Lineas de presion constante en el diagrama p-h.
Lineas de entalpia constante
I::
·0
.0;
Lineas de
temperatura
constante
Q)
a:
Entalpia
Enlalpia
Figura 3.6 Lineas de entalpia constante enel diagrama p-h.
Figura 3.7 Uneas de temperatura constante en el
diagrama p-h( se observaran los cambios de dlreccion).
La figura 3.5 muestra lineas de valores de
presion constante, las cuales son horizontales, y la figura 3.6 muestra lineas de valores de
entalpia especifica constante, las cuales son verticales. Se observara que las Iineas de valores
constantes son siempre perpendiculares ala escala correspondiente.
La figura 3.7 muestra lineas de temperatura constante, Se observara que estas lineas earnbian de direccion. En la region del vapor sobrecalentado, son lineas ligeramente curvadas can
una pendiente muy fuerte, En la region de la
mezcla de liquido y vapor, las lineas de temperatura constante son horizontales, Se obser-
Objetivos
I
61
c
c
'iii
:Q
til
ID
'0
a:
~
a.
Entalpia
Entalpia
Figura 3.8 Uneas de volumen constante en el diagrama p-h.
Figura 3.9 Uneas de entropia constante en el diagrama p-h.
vara que esto esta de acuerdo can el hecho de
que cuando una sustancia cambia de estado entre un iiquido }' un vapor, a presion constante, no cambia su temperatura. Esto es, en Ia
regi6n saturada, una linea de temperatura
constante, es asirnismo una linea de presion
constance (una linea horizontal) en ei diagrama
.15
'iii
~
p-h.
En la region del liquido subenfriado, las lineas de temperatura constante son casi exactamente verticales. Algunas graficas no muestran
las Iineas de temperatura en esta regi6n. En este caso se pueden utilizar las Iineas de entalpia
constante como una guia vertical, sin que haya
una perdida significativa de la exactitud.
En la figura 3.8 se muestran lineas de volumen especifico constante. Estas lineas mu estran una ligera pendiente desde la zona inferior
izquierda hasta la zona superior derecha, en la
region del vapor sobrecalentado. No se muestran los valores en otras regiones, debido a que
en este caso se pueden utilizar las tablas de las
propiedades saturadas.
En la figura 3.9 se muestran lineas de entrepia especifica constante. Estas lineas muestran
una fuerte pendiente desde la zona inferior izquierda hacia la zona superior derecha, en la
regi6n del vapor sobrecalentado.
Presi6n
a.
ra .l!!
.c
_g CIl
ra -til
-
C
W
C
0
o
Entalpia
Figura 3.10 Diagrama p-h que muestra las Hneas
tipicas de propiedad constante, de cada propiedad.
En la figura 3.10 se muestra un resumen de '
cada una de las lineas de propiedad constante.
3.8 Cambio de estado en el diagrarna
de pr'esion-entalpia
Se observara que la interpretacion del diagrama
presion-entalpia confinna la explicacion que se
hace en el capitulo 2, can respecto al comportamiento de un fluido cuando se Ie agrega 0 se Ie
~~r
;
; -.
~
62 I Sistema de refr'igeracion por compresion de vapor
<:
-0
-iii
I))
a::
D
A, liquido saturado
S, mezcla de liquido y vapor
C, vapor saturado
D, vapor sobrecalentado
E. liquido subenfriado
Entalpia
Figura 3.11 Diagrama p-h en el que se muestra
el cambio de estado a presi6n constante.
quita calor. En la figura 3.11, se considera un
refrigerante en el estado de liquido saturado
(punto A). Cuando se agrega calor, aumenta su
entalpia, pero su presion y temperatura permanecen constantes. Por consiguiente, el cambio
en la condicion debe ser hacia el punto B. En
esta condicion se nota que una parte del refr igerante esta en forma de vapor; esto es, se ha
evaporado una parte del misrno. Si se sigue
agregando calor, la condicion se desplaza aun
mas hacia la derecha (aumento de entalpia)
hasta que Ilega al punto C como un vapor saturado, todavia a la temperatura y presion de
saturacion.
Si se agrega ahora mas calor a la misma presion, la entalpia aumenta hasta el punto D,
aurnentando tambien la temperatura. EI refrigerante es ahora un vapor sobrecalentado. Se
debe observar que esto esta de acuerdo con el
diagrama: D esta en la region de sobrecalentamiento.
Si se rernueve calor del liqu ido saturado en
su estado inicial en el punto A, sin cambiar su
presion, disminuye la entalpia, y la nueva condicion se halla en el punta E. Se observara que
el punto E esta en la region en la que se indica
que el refrigerante es un liquido subenfriado,
10 que era de esperarse.
3.9 Interpretacion de un diagrama
real de presion-entalpia
Despues de describir las regiones genera·
les y cada una de las lineas de propiedad en
el diagrama p___,.h, resulta conveniente estudiar
la manera como toda esta informacion se reune en un diagrama real. Se utilizara el ejemplo
para el refrigerante R-22 (figura A.3).
Existen algunas caracteristicas relacionadas
con lasunidades y losvalores, que se deben tener en cuenta. La presion se expresa en unidades absolutas: Ib/pulg2/abs (0 kPa absolutos
en las uniclades S1). La entalpia esta en Btu/lb
(kJ/kg). Se torna el valor cero para la entalpia
del liqu ido saturado a - 40°F. Esto constituye una seleccion arbitraria que no tiene importancia, puesto que en los problemas practices
10 que importa es el cambia de entalpia. En los
diagramas (y tab las) expresados en unidades SI,
se escoge un valor de 0 kJ/kg para la ental pia
del liquido saturado a - 40°C.
Se observara que los valores de la temperatura se indican a 10 largo de las curvas de saturaciori. En los casos en que no se muestren las
lirieas de temperatura constante en las regiones del liquido subenfriado, se pueden trazar
lineas verticales desde los valores de tempe-
Objetivos I 63
ratura en la linea del liquido saturado, para
obtener lineas aproximadas
de temperatura
constante- (Las Iirieas de ental pia se pueden
usar con este fin, pero por supuesto, no se debe usar la escal a de en tal pia.)
Debe observarse que la distancia entre los
valores de la escala de entalpia es diferente a
un lado y otro del diagrarna. Esto debe tenerse
en cuenta euando se euenten los valores numerados. Para el caso de cualqu ier propiedad,
siempre se deben interpolar los valores entre
las lineas, can la mayor exactitud que sea posible estimar.
Se debe tener presen te que los cam bios de
valor son perpendiculares
a las Iineas de valor eonstante de una propiedad. Al efectuar la
lectura de los valores, siempre se debe interpolar entre los nurneros con el mejor estirnado
que sea razonable. Por ejemplo, las temperaturas en la region del vapor sobrecalentado
pueden estimarse can el valor mas cercano de 5°F.
3.10 Localizacion de las
condiciones en el diagrama
de presion-entalpia
Se puede utilizar el diagrama p,.-h para determinar las propiedades
de un refrigerante
bajo
cualquier condicion. Dicha condiei6n del refrigeran te se puede localizar euando se conocen
cualesquiera
dos propiedades
independientes.
La condicion
es el punto en el diagrama que
representa los valores conoeidos de ambas propiedades. Esto se halla graficameri te trazando
o siguiendo las lineas de valor constante de las
propiedades,
hasta el punto en que se cruzan.
Algunos ejernplos ilustraran el procedimiento.
Ejemplo 3.4 Un compresor descarga refrigerante R·22 a 250 lbrpulg" abs y 180!JF. :Cual es eI
estado del refrigerante- Deterrninar su entalpia
y su volumen especifico.
Solucion Se utiliza el diagrama de la figura
:\.3, en el eual se observa que el punto de
la cond icion se localiza en el punta A, que
'"
.0
rG
N
OJ
S
o,
;g
s;
./'
./
c
./
'0
'iij
Q)
0:
.0
~I
~I
~I
II
I
_...
co
o
I
c
-n
-I:;
Enlalpia (h). Blu/lb
Figura 3.12 Diagrama correspondiente al ejemplo
3.4.
es la interseccion
de las lineas de los valores
dados de presion y temperatura
constantes,
como se ve en la figura 3.12.
En este punto, el refrigeranLe se halla en la
regi6n del gas sobrecalentado.
Los val ores
de la entalpia y del volumen especifico se
leen interpolando
entre los valores numerados y se tiene:
li = 127 Btuflb; v = 0.27 pie:1/lb
Ejemplo 3.5 El refrigerante
R·12 entra a la suo
cesion de un eompresor
a una presion de 300
kPa (0.3 MI'a), y una densidad
de 15 kg/m:\
hallar su temperatura
y entalpia.
Solucion Se utiliza el diagrama de la figura
A. 6, en donde el punto de la condici6n
se
localiza en la interseccion
(punto A) de las
lineas de los valor es de p resi o n y volumen
especifico constantes, como se ve en la figura 3.13. En este punto:
t
=
300 K; h == 590 kj/kg
Ejemplo 3.6 Se tiene refrigerante
R-502 a una
presion de 250 Ib/pulg~ abs y una ternpratura
de 80°F a la entrada de una valvula de expan-
64 I Sistema de refrigeracion
por compresion
de vapor
3.11 Localizacion de las condiciones
saturadas en el diagram a
de presion-entalpia
Previamcnte se estableci6 que es preeiso conoindependientes a fin de
poder determinar la condici6n del refrigerante,
ya partir de este valor poder hallar cualesquiera
otras propicdades. En ciertas circunstancias,
puecle ser que dos propiedades no sean independientes; si as] fuera, no seran suficientes
para determinar la condicion. Esto puede ocurrir al utilizar el diagrama p-h. en el case en
que el refrigerante se halle en estado de saturucion. Si las dos propiedades conocidas son
la presion r la temperatura, no es posible 10calizar un punto en el diagrama. Esto se debe
a que la temperatura de saturaci6n depende
de Ja presion. 0 para expresarlo de otro modo, la temperatura
de ebuIlici6n depende de
la presion, un hecho que ya se discu tio.
Un examen
de cualquier diagrama p-h
muesrra que si s610 se conoeen la presion y
temperatura en el punto de saturacion, el reo
frigerante puede ser un liquido saturado, un
yapor saturado, 0 una mezcla intermedia cualqu iera de un liquido y un vapor. El ejemplo
siguiente ilustra esta situacion.
cer clos prcpiedades
Entalpia (h). kJfkg
Figura 3.13 Diagrama correspandiente el ejempla
3.5.
siou. (Cu,ll es cI estudo del refrigerante?
terminal'
SlI
De-
e11l(~lpia.
Solurion Se urilizu el diagrama
de la figura
A. -l, en do nde el punto de la condicion se
localizu ell la interseccion
(pUl1W A) de las
linens de los valores couocidos de presion
y temperatura constuntes, como se ve en 1a
figuru :~.H. Este punt<> se halla en la region
del liquido subenfriado. La lectura de la enrulpia es de· :~2 Btullb. ..
Ejemplo 3.7 Se tiene refrigerante R-11 a 140llF
y -l5.I 2~) lb/pulg" abs. Determinar su estado.
Localizar la condici6n del refrigerante en el
cliagrama p-It.
u,
o
o
CXl
II
vi
..0
CIl
Solucion. En el apendice 4 se ve que e) refrigerante esta en u na condicion saturada. Se
uriliza e1 diagrama de la figura A.I y se observa que la eonclici6n puede ser cualquiera
cle los puntos a 10 largo de la linea A-B,
que se indica en la figura 3.15.
c::
'iii
w
'0
!.... ,
Ii:
Entalpia (h). Btuflb
Figura 3.14 Diagrama correspandiente al ejemplo
3.6.
3.12 Mezclas de liquido y vapor:
calidad
A fin de cleterminar el punta de la condici6n
del refrigernnte cuando se encuentra en esta-
Objetivo s I 65
<II
D..
~
S
p = 0.15
A
c
M Pa
:Q
Ul
<lJ
n:
en
~
-,
..>!
o
U')
II
..:t
Entaipia
Entaipia (h), kJ/kg
(h)
Figura 3.15 Diagrama correspondlente al ejemplo
3.7.
Figura 3.16 Dlagrama correspondlente al eje rnplo
3.8.
do de saturaciori, es preciso conocer otra pro·
piedad adernas de la presion a la temperatura.
Ejemplo3.9 Hallar la caliclad y el po rcentaje de
[iqu ido en la mezcla correspondiente al refrigerante R·22 a una presion de 25 Ih/pulg:! abs
)' 1I na en tal pia de 15.0 Btu/lb.
Ejemplo3.8 El refrigerante R·12 se halla a una
presion de 0.15 MPa y una entalpia de 500
kJ/kg. Localizar el punta de esta condicion en
e] diagrama p-Iz. (eual es el estado del refrigerante?
Solucion Se utiliza el diagrama de la figura
A. 6 y se ve que la coridicion se encuentra
en el punta A (figura 3.16) correspondiente a la interseccion de las lineas de las dos
propiedades constantes conocidas. En esta
region el refrigerante es una mezcla de II·
quido y yapor saturados.
Una vez que se localiza el punto de la condicion de una mezcIa de liquido y vapor, se
pueden deterrninar los porcentajes de las mao
sas del vapor y delliquido en la mezcla. £1 por·
centaje de masa del vapor en la mezda se llama
calidad, x. La calidad se puede hallar mediante la siguiente ecuaci6n, como se ilustra en la
figura 3.17:
x =
h; - h!
li; - h;
x 100
(3.1)
Solucion Prirnero se localiza Ia cond iciori del
punto en el diagrama p--h (figura 3.18), y
se vc.que se halla en la regi611 de la mezcla
h -hr
Caiidad x = h'~-h
g
r-E---Itg -
x 100
t :
hf
sc
'0
'ifj
e
0.
Entaipia (h)
Figura 3.17 Como hallar la calldad de una mezcla
de Iiquido y vapor.
66 I Sistema de Tefrigeraci6n por cornpresion de vapor
liquido, a presion y temperatura constantes (capitulo 2). El c1iagrama presion-entalpia
muesIra el calor laten te, como se ve en el ejemplo
si~liente.
§;
Ejemplo 3.10 Utilizar el diagrama p-h
c:
'iii
'0
Ql
0::
p = 25 Ib/pugl2 abs.
~>.
i:~
:.'.
Entalpia (h)
I
"
Figura 3.18 Diagrama correspondiente al ejemplo
3.9.
de liqu iclo v \'apoL Se uriliza 1;1ecuacion
Y se halla que la c;didad es:
;t I
Solucuui Las entalpias del Iiquido saturado
(h/) y del vapor saturado (hg) a 80°F, se leen
en la figura AA. POI' definicion, 13diferencia
entre las mismas es el calor latente de C011densacion (hjg). La solucion se ilustra en la
figura ;~.17.
hr" = Iz" - Ilj'
En el apendice
15.0 x =
5.:1
102.8 - 5.3
X
100 = 10%
EI porcerimjc
de mnsa del liquido es pOl'
ronsiguieute,
100 - I() = 90 por riento. Es10 ('S, en cadit Ib de refrigerunte,
0.1 lb es
\'apor. y (UJ Ib es liqu ido ..
Nota: Para ohiener
una mavor precision, los
v.ilores de Lt eut alpia en los PUlllOS f Y K.
correspunrlicntes
al liquido y \'apor saturndos, pue den romarse de las rnblas de satur.uiou. en lugur de roruarlos del diagram»
/) - h .
.-\lgUllOS diagram<ls presion-entalpiu
muesIran una esc.ila de calidad. Por su puesto que
en este C1SO no es necesnriu reulizar el calculo.
para ha-
liar el calor latente de condensaci6n
del R-502,
a 80"F. Comparar el resultado con el hallado
ut ilizando las tablas de las propiedades
saturadas.
hIff
=
85 - 31
= 54
Btu/lb
7 se ve que el resultado
= IIg _;_hr = 85.35
= 53.76 Btu/lb
es
- 31.59
Se observani que el resultaclo se puede
obte ner con mayor exactitud urilizando las
tablas.
3.14 Sobrecalentamiento
En un sistema real de refrigeracion,
a menudo
el refrigerador
sale del evaporador en UJ~acondicion de yapor sobrecalentado.
La razon de
este cornporramiento
se vera mas adelanre.
EI termino grados de sobrecalenrarniento
()
IIIns sencillamentr, sobrecalentamiento, se define
CO/l/O el mimero de grados por encima de la tempcrat ura de saturacion del vapor sobrecalentado.
3.13 Calor latente de vaporizacion
o condensacion
1-:1 calor 1(/1('1111'dl' ,'({pol'i:acirjll
() ((I1I(/1'II.I'([('i()1I de
un flu ida. se define como el cambio de ental-.
pia entre los esuidos s.uurudos del yapor v del
Ejemplo 3.11 La presion
del evaporador
en u n
sistema que util iza R-12 es de -!3 Ib/plllg2 abs.
£1 refrigeranre
sale del evaporador
a 38"F.
:Cu;l.nros grados de sobrecale ntarniento tiene
el refr igerante>
Preguntas de repaso I 67
Solucion En el apendice 5, el cual indica
las propiedades de saturacion del R·12,
se ve que la temperatura de evaporacion (de
saturacion) correspondiente a 43 Ib/pulg2
abs es de 30°F. Por tanto, el refrigerante tiene 38 - 30 = 8°F de sobrecalentamien to.
s
c
'iii
'0
Q)
3.15 Procesos en el diagram a
de presion-entalpia
Los procesos coristituyen los cambios en las
condiciones del refrigerante, que tienen lugar
al fluir el rnismo a traves del equipo. Los pro·
cesos resultan. de los efectos que se imponen
sabre el refrigerante; par ejemplo, cuando se
Ie agrega calor.
El diagrama presion-entalpia se puede usar
para mostrar los procesos, y par consiguiente
los cambios en los valores de las propiedades.
Esto representa una muy irnportante utilizacion del diagrama p-h. Ayuda a comprender
como funciona el sistema de compresion de vapor. Es de utilidad asimismo, para analizar los
problemas de operacion del sistema, seleccionar el equipo y tamar decisiones concernientes
a la conservacion de la energia.
Un proceso en el diagram a presion-entalpia
se representa par una linea que conecta el pun·.
to de la coridicion inicial del refrigerante, con
su condici6n final. Muchos de los procesos (pero no todos) son del tipo en que no cambia el
valor de una de las propiedades. Asi, se habla
por ejemplo, de un proceso a "entalpia constante", 0 "presion constante",
Ejemplo 3.12 A u n condensador entra refrigerante R-502 a 250 Ib/puIg2 abs y 180°F. No se
experirnenta ningun cambia de presion al fiuir
el refrigerante a traves del condensador. EI me-.
dio de enfriamiento rernueve suficiente calor
del refrigerante, de manera que este sale del.
condensador como un liquido saturado. Trazar la linea del proceso en el diagrama p-h
)' deterrninar la cantidad de calor removido,
par libra de refrigerante que fluye,
0:
103
39
Entalpia (h)
Figura 3.19 Diagrama correspondiente al ejemplo
3_12.
Solucion. El punto A representa la cond icion
del refrigerante que entra al condensador
a la presion y temperatura conocidas, como
se ve en la figura 3.] 9. EI proceso es a presion constante, y por consiguiente, la linea
que representa el proceso es horizontal a
250 Ib/pulg2 abs. EI refrigerante sale del
condensador como un liquido saturado, y
par 10 tanto el punta B representa esta condicion. La linea del proceso es A-B.
Es igual a la disminucion de su entalpia, desde A hasta B.
calor removido
- ht1
-
hn = 103 - 39
64 Btu/lb .
En el capitulo 4 se utiliza el diagrama p-h
para describir cada uno de los procesos que
tienen lugar en el sistema de refrigeraci6n par
com presion de vapor.
PREGUNTAS DE REPASO
1. ~Cual es el nombre del metodo mas ampliamente usado para obtener la refrigeraci6n?
68 I Sistema de refrigeracion por compresion de vapor
:\i<:llciollar los ru.u ro procl'sos qut' t ieuen
lu~ar ell cl sistema de cnmpresion
de vaPOl', y los cotresponrl
icntes disposit ivns del
eqllipll ell los c.llIl' t icne n lugar.
:~. .:QlI(':' le oru rre a till refrigcruru e en est.ulo
liquido ruundo la presion circundunte
dism inuyc suhitamcure?
I. ,YOI' que disminuye consiclcrablcmeute
la
tcmperatura
cit, un n..
-frigerante cuando est c cxpe rimcnta lIll pr()ces(l de cxpunsiun?
.r, ~Cll;iles la propieclad fisiea que permanece
roust.mtr durante el procl'so de expansion?
fl.
cl cicio ideal, cm;i.1 es lu concliciou del
n·rri~l'ralltl' cuundo entru y sale (a) del dispositivo de co nt rol de tlujo, (b) del eyapo·
rudor. (c) del cOlllpresor y (d) del coridensudnr?
7. ~POl' <tlll' no es pr.ict ico co n d e nxar el reo
rri~erallte despucs de qut' sale del e\'apo·
rador?
H. cCu;ll es cl objcto de Ull reribidor?
~l. Mcnriunu r las liucas de tuberins ~'su ubicurion.
J U. Mcnciouar los clus ol.~jeti\'()s principnles pa·
ra u i iliznr el di(\~rallla I)-h.
II, Dibujar till diagramap-Ir.
que muestrr .. la
linca de sarururiou. Ideu t ificu r las regiones
dcl liquid«, del ,'apor y de la mezcla, y las
condiciones
del liqu ido y del "apot' sa·
III r;l(los.
I~. Dihujar Ull diagralll;) /J-", \. \l'azat' las Ii·
l1l';JS tipicas de presi('ll1, l'l1l;llpia, tt'mpera·
tura, YOIUlllell l'specifico y, entropia.
I:t Definir \;J m/id(/d, Inclicil1' el modo de cleo
tcrminaria
sobre un diagrama
p-h.
,>
~:11
.
PROBLEMAS
:1. J En tin sistema de reti~igeraci()n. a un dis·
posit in) de cOlltrol de nu_jo entra refrigeramt'
R·22 a 24] Ib/pulg:.! abs y lO()i'F, La presion a
la salida del control de flujo es cle 74.8 Ib/pulg:!
<Ills. .:Cldl es el estado del refrigerante
a la entrada }' la salida del d ispositivo de control de
flujo? (Cll~11 es la temperatura
de evaporiz.acic'lJl?
:L2 Un compresor
centrffugo descarga reo
lrigerunte
R·II a 27.9 lb/pulg" abs }' ] 35"F.
~C:u~llltos grados de sobrecalentamiento
tiene
por e nr ima de su temperatura
de saturacion?
:L:~ A la succion de lin compresor entra reo
frigerante R·502, a una presion cle 40 lb/pulg '
abs y una temperatura
de 2()"F. Deterrninar su
ell tal pia. volumen especifi co y so brecalen tamieruo.
;~.4 Un compresor
descarga refrigerante
R·22 a 289 Ib/pl.llg:! nbs )' 170"F. Determ inar
ln entnlpiu, el volumen especifico y sobrecalent.uniento del rcfr igeranre .
:~.!) Se tiene refrigerunte
R-] 2 a una presion
de ;~2 Ib/pulg:.! nbs y su enralpia es de 25.0
BIU/lb, Hallar la calidad )' el porcentaje de li-
quido de la mezcla.
. :Ui Una mezcla de 15 por ciento de liqu ido
v ~:"j pOl' ciento de \'apor de refrigerante R·iI7.
est;i a una temperatura
de - 2()"F. Detcrminar
SlI entalpia
y presion.
:L7 Mediante eluso del diagrama p-h. haliar el calor latente de vaporizacion del refrigerante R·II a -10°F. Cornparar este resultac\o (on
el que se ha1la lllilizando
las tablas de las pro·
piedades
saturadas.
:U~ A la sun:i(')J) de un compresor enlra 1-efrigerame R·12_ a una presion de 006 kPa y una
temperamra
de ~0()C. Determinar Sll ental pia.
yolumen especffico y sobrecalentamiento,
:~.9 Se tiene refrigerante R·717 a una pre·
si<'m de 150 kPa y su ental pia es de 260 kJ/kg.
HallaI' 1a calidad y el porcentaje cle liquic10 en
I:t mezda.
Capitulo
4
TERMODINAMICA DEL CICLO DE
REFRIGERACION POR COf\,1PRESION DE
VAPOR
En el capitulo 3 se describi6 c6mo funciona el
sistema de refrigeracion por cornpresion de
vapor y se introdujo el diagrama presion-entalpia. En este capitulo se estudian con mayor
detalle los procesos que tienen lugar en el
sistema, con el auxilio del diagrama presionentalpia. EI objetivo es analizar el funcionamiento del sistema de cornpresion de vapor. Los
datos que se incluyen se utilizan para seleccionar el equipo, ayudar en el analisis de servicio,
y como una guia en las pautas de la conservacion de la energia. A 10 largo del texto se hara
referenda al material que se presenta ahora.
No se exagera si se afirma que la informacion
que se presenta en este capitulo coristituye la
clave de un provechoso conocimiento de los
principios de la refrigeracion.
3. Determinar el flujo masico, desplazam ie nto
teorico requerido del compresor y la P!"
tencia.
4. Calcular el coeficiente de rendim ieruo
(CDR) y la relacion de eficiencia de la eriergia (REE). .
. . .
,
5. Mostrar y explicar los efectos que tienen los
cambios en la temperatura de evaporacion
o condensacion sabre el funcionamiento
del cicio.
6. Deterrninar los efectos del sobrecalentamiento 0 del subenfriamiento en el funcionamiento del cicIo.
7. Explicar Ia razon que se tiene para utilizar
un cambiador de calor del tipo liquido-su ccion y su ubicacion en las tuberias del si stema.
8. Indicar algunas medidas para la conservacion de la energia, aplicables al ciclo de
com presion de vapor.
OBJETIVOS
4.1 CicIo terrnodinamico de
refrigeraci6n y funcionamiento
del sistema .
EI estudio de este capitulo permitira:
1. Trazar e identificar los procesos del cicIo
ideal de cornpresion de vapor en el diagra-
map-h.
Es esencial poder determinar el funcionamiento de un sistema de refrigeracion.
Entre las
diferentes caracteristicas importantes del funcionamienio se encuentran la capacidad de en-
2. Hallar graficamente el efecto de refrigeracion, calor de com presion y calor de reo
chazo.
69
t
J
70 I Termodimimicadel cicio de refrigeraci6n
I.:.
r
[hi
,::,)!II
:J:
friamiento (refrigeracion), potencia requerida
pOTel compresor, flujo de refrigerante y cantidad de calor rechazado (removido) en el condensador.
EI funcionamiento del sistema se determina examinando su cicIo terrnodinamico. Este
ciclo terrnodinamico esta representado por la
serie completa de procesos 0 cambios fisicos
que experimenta el refrigerante en el sistema.
En cad a componente del equipo de la planta,
cambian algunas de las propiedades fisicas del
refrigerante; esto es, cambian las condiciones.
Estos cambios se conocen con el nombre de
procesos. Debido a que el refrigerante circula en
un circuito cerrado, a la serie de cambios se
Ie llama ciclo. Esto es, cuando el refrigerante
retorna al mismo lugar en el sistema, recobra
tambien leimisma condici6n fisica. A esta situacion se le aplica el nombre de operacion de
estado uniforme. EI refrigerante puye a un regimen constante, y sus propiedades en cualquier
punto son siempre las mismas. En el caso de
ocurrir alguna perturbacion, tal como un cambio de la carga, 0 el ajuste de una valvula, la
operacion puede volverse inestable por corto
tiernpo, ya que al cambiar el regimen de flujo,
cambian las propiedades. No obstante, despues
de un breve periodo, se tienen unas nuevas
condiciones uniforrnes.
4.2 EI cicIo ideal de refrigeracion
'por compresi6n de vapor
saturado
'~itl':i
al!n
;:' ~
..
:-:.(.:,~i','
"
.'
...
:",
":
En el capitulo 3 se describio como funciona el
sistema de refrigeraci6n por compresi6n de
vapor_ En esta seccion se describen los cambios
terrnodinarnicos que experimenta el refrigerante en cada parte del equipo. EI cicIo que se
describe a continuacion es idealmente te6rico,
y nunca tiene lugar. No obstante, existen razones por las que resulta conveniente examinar
este caso ideal. En primer lugar, se puede lIegar
a ciertas concIusiones generales acerca del funcionamiento de un sistema real, particularmente en 10 que se ve afectado por los cambios en
las condiciones. Adernas, es mas sencillo estudiar y comprender el cicIo ideal. Las diferencias que existen en los ciclos reales )' sus efectos
seran motivo de explicaciones posteriores.
Se supone que en e) cicio ideal no disminuye la presion como resultado de la fricci6n que
se origina cuando el refrigerante fluye por Ia
tuberfa y el equipo. Esto nunca sucede en un
sistema real.
En el cicIo ideal se supone, asimismo, que
no ocurren otros efectos en las tuber ias entre
los diferentes dispositivos, Esto es, no solamente disminuye la presion en la tuberia, sino que
tam poco ocurre intercambio de calor con el
medio circundante, conforme el refrigerante
fluye por la tuberia. En la practica, estas suposiciones significan que Ia condici6n del refrigerante que sale de cada componente del
equipo, es la misma que la que entra al siguiente componente.
En el diagrama p - h (figura 4.1) se muestra
un cicIo ideal de refrigeracion por cornpresion
de vapor. Se muestra, adernas, un esquema correspondiente del sistema, el cual indica la
ubicaci6n de cada proceso_ El cicIo consiste de
cuatro procesos, identificados como A-B,B-C,
CoD YD-A. Estos procesos son como sigue:
LInea
A-B
B-C
C-D
D-A
Proceso
Equipo en donde
termodindmico
ocurre
Entalpia
constante
Presion
conscante
Entropia
constante
Presion
constante
Dispositivo de control
de flujo (de expansion)
Evaporador
Cornpresor
Condensador.
Cada uno de estos procesos se discu tid. en
detal!e. A fin de hacer mas practica la discusian, se ha seleccionado un juego especifico de
condiciones, utilizando refrigerante R·22,con
los valores que se indican a coritinuacion:
Temperatura
de evaporacion
Objetivos
(D-A) Condensador (tc '" 100"F)
210.6
'2,!-------'-------E----------t--------:;"P-
D
J
71
Presion de
;;nde;-ado;:;-
c
·0
.[ij
Q)
a:
B
(B-C) Evaporador (Ie",
20" F)
::'O--------~-------_p_
Presion de
- - - - - - - - - - - - -evaporaci6n
Entalpia. Btu/lb.
Figura 4.1 Cicio ideal de retrlqeraclon por compresian de vapor en el diagrama p-h.
Temperatura
de condensacion
t,
=
lOO°F
Por supuesto, este juego de condiciones es arb itrario, y cualquier otro puede ser adecuado
para el ejemplo en cuestion.
4.3 EI proceso en el dispositive de
control de flujo (a entalpia
constante)
EI punto A (figura 4.1) representa la condicion
del refrigerante que sale del condensador y entra al dispositivo de control de flujo, puesto
que se supone que no tienen lugar cambios en
Ia tuberia. EI refrigerante sale del condensador
y entra al dispositivo de control de flujo como
un liquido .saturado a la temperatura de condensacion. La correspondiente presi6n .de
condensaci6n (presi6n del lado de alta) es
de 210.6 lb/pulg ' abs.
Cuando el refrigerante fluye a traves de la
restricci6n en el dispositivo de control de flujo, su presion cae siibitamente hasta la presion
dellado de baja, en B. A este proceso se le llama
a veces estrangulacion 0 expansion. Debido a que
el refrigerante fluye con gran rapidez y a que el
dispositivo de control de flujo tiene una superficie muy pequeria, no existe practicarnente
intercambio alguno de calor entre el refrigerante y el medio circundante. Puesto que no
72 I Terrnodinamica
del ciclo de refrigeracion
hay transferencia de calor de 0 hacia el refr igerante, no cambia su entalpia. Esto esta de
acuerdo con la ecuacion de la energfa (2_2)_Se
puecle entonces Ilegar a la conclusion de que:
ui
.0
'"
N
El proceso del ciclo ideal a traues del dispositioo
de control de flujo es un proceso a entaipia
constante.
OJ
'"5
.e,e
210.6
C
'0
'iii
~
La linea A-B del proceso es, por 10 tanto, una
lfnea vertical (sin cambio de entalpia) que baja hasta la presion de evaporacion (presion del
lado de baja), correspondiente
a la temperatura de evaporacion, Esta presion es la presion
de saturacion a 20°f, la cual es de 57_7
Jb/pulg2 abs para el refrigerante R-22.
El refrigerante que entra al dispositive de
control de flujo es un liquido saturado a una
temperatura relativamente alta, lOooF (punto
A). A la salida del dispositivo de control de flujo se halla a una baja temperatura, 20°F, y es
una mezcla de Iiquido y vapor (punto B). Como el refrigerante no cede ningun calor al media circundante y tiene la misrna entalpia, se
puede preguntar como es que se enfria. La respuesta estribaen el hecho de que una parte del
liquido se evapora debido a la subita caida de
presion. EI calor latente de evaporacion necesario para que esto ocurra se torna de la propia mezcla, procediendo asi a su enfriamiento.
Expresado de una manera diferente, el calor
sensible (y por consiguiente, Ia temperatura)
del refrigerante disminuye, rnientras que su calor latente aumenta en la misma cantidad.
Se observara que la ubicacion del punto B
en el diagrama p - h, confirrna 'que parte del
refrigerante se ha evaporado en el proceso de
expansion. Este vapor se corioce como el gas
de uaporizacioti subita. EI poreen taje de masa del
gas de vaporizacion subita se conoce como la
calidad de la mezc1a, la cual se determina como se explica en la secci6n 3.12.
el porcentaje de gas de
vaporizaciori siibita correspondiente al refrigerante R-22, para el cicIo ideal pOI' com pre-
c,
57.7
vapor
(20"F)
39.3
Enlalpia, Btu/lb
Figura 4.2 Proceso de expansion (estranqulacion)
A-B, del cicio ideal, 0 entalpia constante.
si6n de vapor. Al dispositivo de control de flujo
entra liquido saturado a lOO°F, y Ia temperatura de evaporizacion es de 20°F.
Solucion En el diagrarna de la figura A.3 se
traza la linea de proceso A-B (figura 4.2). EI
porcentaje de gas de vaporizaci6n subita en
B se puede leer directamente, si se muestran
las lineas de calidad. Tambien se puede utilizar la ecuaci6n 3_1.Si se utilizan las lineas
de calidad, el resultado es:
Porcentaje del gas de vaporizaci6n
ta = 25 por ciento
subi-
4.4 El proceso en eI evaporador (a
presion constante)
En eI cielo ideal, la condicion en el punto B
a la salida del dispositive de control de flujo,
se supone que es la condicion a la entrada del
evaporador. Se supone, asimismo, que no hay
caida de presion a traves del evaporador.
Ejemplo 4.1 Determinar
El proceso del ciclo ideal a traces del euaporadOT, es un proceso a
presion constante.
Objetivoss I 73
La carga que se debe enfriar esta a una temperatura mas elevada que la del refrigerante en el
evaporador; por consiguiente, el calor fluye a tra-
ves de las paredes de los tubas del evaporador,
de la carga al refrigerante. Como el refrigerante liquido en el evaporador ya se encuentra en
un estado saturado, el calor adquirido hace que
se evapore cuando fluye por el evaporador.
La linea de proceso B-C en el evaporador es,
por consiguiente, una linea horizontal (a presi6n constante), y dirigida hacia la derecha,
puesto que el refrigerante gana calor y aumenta
su entalpia, El refrigerante sale del evaporador
como un vapor saturado (punto C) en el cicio
ideal (figura 4.3). Ista es la condici6n normal
en un evaporador del tipo inundado. En los
evaporadores del tipo de expansion directa, el
refrigerante generalmente sale del evaporador
en u n estado de vapor sobrecalentado. La descripci6n de estos tipos de evaporadores y las
razones par las cuales las condiciones de salida son diferentes, se explicaran mas adelante.
4.5 EI efecto de refrigeraci6n
El aumento de la entalpia del refrigerasue en
el evaporador se conoce como el eJecto de re-
[rigeracion
(E.R.), y se expresa en BluAI> ()
kjlkg
Se Ie llama efecto de refrigeracion debido
a que representa asimismo la cantidad de calor removiclo del medio que se debe en friar
por cada libra 0 kilogramo de refrigerante que
fluye. Esto se deduce de la ecuacion de la energia. ESLO es:
E.R. = h, -
(4.1 )
h"
en donde
KR
h,
h"
efecto de refrigeraci6n en Btu/lb
entalpia del refrigerante a la salida
del evaporador en Btullb
ha = entalpia del refrigerante
a la
entrada del evaporador en Btuflb
Debe observarse que el valor de la ental pia,
del evaporador, tiene el mismo valor, h(J7 a la entrada del dispositivo de
control de flujo. Esto es cierto, puesto, que eJ
proceso A·B es a entalpia constante. Por esta
razon, para obtener una mayor precision, es
mejor leer los valores de he Y ka en las tablas
de saturacion, en lugar de obtenerlos del diagramap-h, como se ve en eI ejernplo siguiente .
hi" a la entrada
•...
Ejemplo 4.2 ;~Cual es el efecto de refrigeracion
del cicio ideal, correspondiente
al refrigerante R-22, que se muestra en Ia figura 4.3 y que
opera a las ternperaturas de evaporizacion y
condensacion
de 20°F y lOooF, respectivamente?
Ul
.a
III
'"Ol
sa. 210.6
;9
c
'iIi
'0
Q)
a:
B
Evaporador
C
57.7
39.3
Vapor saturado
(20°F)
·106.4
Entalpia. Btu/lb
Figura 4.3 Proceso en el evaporador B-C, del clcio ideal, a presion constante.
Solucion Se u tiliza la ecuaci6n
-l.L, Y los valores de he Y ha se leen en las tablas de las
propiedades saturadas correspondientes
al
R-22. De enta manera;
he
106.4 Btu/lb (vapor saturado a
20°F)
ha
hb = 39.3 Btu/lb (liquido saturado a 1000F)
E.R.
106.4 - 39.3 = 67.1 Btu/lb
74 / Terrnodinamica
del cicio de refrigeraci6n
E.R. ==
4.6 Flujo rnasico del refrigerante
EI flujo masico que circula a traves de un sistema con el fin de producir una capacidad dada de refr igeracion, se puede hallar como se
indica a continuacion:
m ==
.s:
(4.2)
E.R.
en donde
"i
r
.!_
TIl
,
:i~
j ~"..',
(1.
=
KR.
flujo masico en lb/min
capacidad de refrigeraci6n del sistema en Btu/min
efecto de refrigeracion en Btu/lb
A fin de poder comparar el funcionamiento de sistemas que operan a diferentes condiciones, resulta conveniente hallar el flujo del
refrigerante por tonelada de refrigerad6n. En
este caso, como I tonelada = 200 Btu/min, la
ecuacion 4.2 se convierte en
=
m
200
(4.3)
E.R.
m
67.1 Btullb
~
E.R.
=
4000 Btu/min
67.1 Btullb
== 59.6 lb/min
4.7 EI proceso en el compresor
(a entropia constante)
Se supone que en el cicio ideal no hay cambios,
como Ia caida de presion 0 el intercambio de
calor en la linea de succion, Por consiguiente,
la condicion C del refrigerante a la salida del
evaporador es asimismo, la condicion a fa entrada del compresor.
En el proceso ideal de cornpresion no .existe intercarnbio de calor entre el refrigerante
y el rnedio circundante (Ilamado un proceso
adiahaticci; ademas, no existe friccion. Se puede demostrar que en un proceso adiabatico sin
friccion, no hay cambio en la entropia del gas,
cuando este se com prime. Un proceso a entropia constante, se-conoce tambien como un pro·
ceso isentropico.
El proceso del ciclo ideal a traues del compre-
en donde
sor, es un proceso a entropia constants (isenm
=
flujo masico en Ib/min por tonelada
Ejemplo 4.3 ~Cual es el flujo masico del refrigerante R-22 correspondiente al sistema del cido ideal, que opera a las temperaturas de
evaporacion y condensacion de 200F y lOooF
respectivarnente, descrito en el ejemplo 4.2, si
el sistema tiene una capacidad de refrigeraci6n
de 20 toneladas?
Solucum Se utiliza la ecuacion 4.2. debiendose expresar la capacidad de refrigeracion
en Btu/min.
Qe
ee
20 toneladas
x
200 Btu/min
I tonelada
tropico).
La linea C-D del proceso a entrop ia constante se muestra en el diagrama p - h de la figura 4.4. Se traza una linea de entrop ia
constante desde el punto C, que corresponde
ala coridicion de la entrada del compresor. La
presion de, descarga, a la salida del compresor,
es la presion de condensacion. Por 10 tanto, el
punto D, que corresponde a Ja condicion de
salida del compresor, se localiza en la interseccion de las lineas de entropia constante y de
presion de condensacion.
4.8 EI calor de compresion y el
trabajo de compresion
= 4000 Btu/min
Se tiene del ejemplo 4.2,
Cuando se comprime el refrigerante, aurnenta su presion, temperatura y entalpia.
Objetivos I 75
La temperatura en el punto D es de 140"F.
Serequiere trabajo para accionar elcorripresor, a fin de comprimir el vapor refriger ante.
Se deduce de la ecuaciori de la energia, que la
energia agregada al gas en forma de trabajo,
aumenta en la misma cantidad eI contenido
de energia del refrigerante, en forma de entalpia. Esto es, eltrabajo de compresion es igual al calor de compresion, expresado en las mismas unidades.
'N
Ol
S
;§ 210.6
c
0U5
'0
III
a:
_~
57.7
I
I
C
.W
106.4
=
=
ht/ -
h,
(4.5)
120
en donde
Entalpia, Btu/lb
trabajo de compresi6n en Btullb
aumento de la entalpia del refrigerante en el compresor en Btullb
Figura 4.4 Proceso de cornpresion CoD, del cicio
ideal. a entropfa constante.
El calor de compresion (C.c.) se define como
el aumento de la entalpia del refrigerante,
como resultado de la compresion.
Como se ve en la figura 4.4, este valor resulta
ser:
en Btullb
(4.4)
Ejemplo 4.4 Determin~r el calor de compresi6n
y la temperatura de descarga correspondientes
al cicIo ideal del refrigerante R-22~que opera
a las temperaturas de evaporaci6n y condensacion de 20°F y lOO°F respectivamente (figura
4.4).
C.C.
4.9 Potencia teorica requerida por
eI compresor
Generalmente conviene mas determinar la cantidad de potencia necesaria para accionar el
compresor, que determinar el trabajo requerido. Esta potencia se puede hallar a partir del
trabajo de compresi6n y del flujo masico, utilizando la siguiente ecuaci6n:
P=Wxm
(4.6)
en donde
'
P
So lucian Se u tiliza eI diagrama p - h cor respondiente al R-22. Desde el punto C, 0 sea
Ia condici6n a la entrada del compresor, se
traza una linea paralela a la linea mas cercana de entropia constante. EI punto D se
localiza en la intersecci6n de las lineas de
en tropia y de presi6n de descarga (condensaci6n). Se leen los valores de he Y hd, Y utilizando la ecuaci6n 4.4, se tiene que
C.C.
= hd =
he = 120 - 106.4
13.6 Btu/lb
W
m
potencia teorica requerida por el cornpresor en Btu/min
trabajo (calor) de compresi6n
en
Btu/lb
flujo masico en Ib/min
Conviene mas expresar la potencia del compresor en unidades de caballos de fuerza, que en
Btu/min. Resulta tambien conveniente determinar
la potencia requerida en caballos por tonelada
de refrigeraci6n, a fin de poder comparar el
efecto que se obtiene al operar bajo condiciones
diferentes. Esto se ilustra en el ejemplo siguiente.
fI
I
76 / Terrnodinamica
Ejemplo 4.5 Deterrninar los caballos de fuerza
requeridos por tonelada en un sistema de cicIo ideal, el mal utiliza refrigerante R-22 yopera con temperaturas
de evaporaciori
y
condensaci6n de 20°F y 1OO(lF respectivamenteo Al compresor entra vapor saturado.
Solucion El trabajo de compresi6n, que es
igual al calor de com presion, as! como el
efecto de refrigeracion, ya se determinarori
en los ejernplos 4.4 y 4.2 respectivarnente.
Estos son:
j~
W
E.R.
17.(/ -
13.6 Btu/lb
67.1 Btullb
h,
h, - hll
I
j,
';·i
en donde
W
= trabajo de compresi6n
El flujo masico del refrigerante
la ecuaci6n 4.3:
200
m = --
E.R.
200
= --
67.1
La pOlen cia requerida
p
=
\tV
x
m
Ib
x 2.98--
min
40.5 Btu/min por
en unidades
P = 40.5 Btu/min par
de hp
t X
requerida para
accionar el compresor tiene luga« en el ciclo
ideal, cualcsquiera que sean las condiciones
dadas.
La irnportancia de esta afirmaci6n estriba
en el hecho de que la potencia requerida en
u n sistema real, se puede medir y comparar
con la mejor situacion po sible, que es el cicio
ideal. Esto provee un objetivo cuando se per·
siguen prop6sitos de llevar al rninirno el consumo de energia. Este objetivo no se puede
alcanzar nunca, pero surninistra un buen marco de referenda.
Es necesario conocer la potencia minima,
debido al hecho de que la compresi6n es un
proceso isentr6pico (adiabatico y sin friccion).
La prueba de este aserto se puede hallar en
cualquier texto de termodi namica.
4.10 Desplazamiento 'teor'ico
t
para Ia com presion es:
Ib
La palencia teorica muuma
requerido por el compresor
= 2.98 lb/rnin por
Btu
=
es, utilizando
.
= 13.6--.
por T
Expresada
I
del ciclo de refrigeraci6n
0
t
kW,
Una vez que se ha determinado el flujo masico del refrigerante, se puede calcular el flujo
volumetrico. Este flujo volurnetrico varia, dependiendo del punto en el sistema donde se
determine, puesto que el volumen especifico
del refrigerante varia tambien. Por 10 general,
el flujo volumetrico se calcula a la entrada de
succi6n del compresor.
1 hp
At uolumeti de gas que el compresor debe ser
capaz de rnanejar en el ciclo ideal, se le llama
42."1 Btu/min
:.desplazamiento tetirico del compresor.
0.96hp/t
40.5 Btu/min par t
lkW
X
Este se determina
cion:
mediante la siguiente ecua-
56.9 Btu/min
0.71 kWh
La potencia requerida para accionar el compresor en el cicIo ideal se llama la potencia
teorica. Existe un hecho muy irnportante relacion ado con dicha potencia:
(4.7)
en donde:
'il
•I
_
-
desplazamiento
en pie3/min
te6rico del cornpresor
Objetivos I 77
volumen especifico del refrigerante en
Ia soluci6n
del compresoT,
en
'pie:1/min
m . = flujo masico del refrigerante, en Ib/min
v
Ejemplo 4.6 Deterrninar
el desplazarniento teorico requerido en el compresor para un sistema con cicio ideal, cuya capacidad es de 20
toneladas y que utiliza refr igerante R-22. Las
temperaturas de evaporacion y coridensacion
son de 20°F y lOooF respectivamente. Al compresor entra vapor saturado.
Solucum Se utiliza la ecuacion 4.7. El flujo
rnasico se calculo previamente para dichas
condiciones en el ejemplo 4.3. Debido a que
es necesario deterrninar el desplazamiento
del cornpresor, se utiliza el volurnen espe·
cifico del vapor saturado a 20°F, 0 sea la sueci6n del compresor.
Se rernueve calor del vapor refrigerante sobrecalentado que entra 3.1 condensador, para
primero reducir SlI temperatura al punto de
saturaci6n, )' luego condensarlo. Se provee con
este fin, un fluido de enfriamiento a una temperatura mas baja que la temperatura de saturaci6n. El refrigeranre sale del coridensaclor
como un liqu ido saturado, punto A. En rnuchos sistemas, el refrigerante se subenfria todavia mas, por debajo de la temperatura de
saturaci6n. Este caso se discute mas adelarite.
La linea de proceso D-A en el condensador
(figura 4.5) es, par consiguiente, una linea horizontal en el diagrarnap-h,
dirigida de derecha a izquierda (remoci6n de calor), a la
presion del lado de alta (de condensaci6n). El
refrigerante ha completado un cicio, y se halIa en las mismas condiciones que cuando se
inici6 el anal isis.
El calor de rechazo
v, =
=
v X m = 0.936 pie:l/lb x 59.6 Ib/min
55.8 pie:l/min
EI desplazamiento requerido por el com preSOl' para el cicio ideal, se conoce como el desplazamiento
teorico, ya que es el minimo
desplazamiento posible. EI desplazamiento real
de un compresor es siempre mayor, por razones que se explican en el capitulo 5.
4.11 EI pl'oceso en el condensador
(a presion constante)
El calor de rechaxo (G.R.) se define como La
cantidad de calor remouido par libra de refrigerante, en el condensador.
Como se ve en la figura 4.5, esto equivale
ala disminuci6n de la entalpia del. refrigerante
vi
co
..0
'"Ol
:;
Se supone que en el cicio ideal no hay caida de
presion 0 intercambio de calor en la linea
de descarga del gas caliente. POl' consiguiente,
la condiciori D del refrigerante, a la salida del
compresor, es tarnbien la condici6n a la entrada del condensador. Se supone, asimismo, que
no hay caida de presion a traves del condensador.
El proceso del ciclo ideal a iraues del condensador, es un proceso a presion constance.
0-
;§
210.6
o
~------~~~-/~
/
//
I
I
57.7
39.3
120
Enlaipia, Blullb
Figura 4.5 Proceso en el condensador D-A,del cicio ideal, a presion constante.
78 I Terrnodinamica del cicio de refrigeracion
C.R. = hd -
(4.8)
11."
La cantidad total de calor de rechazo del condensador (Q,) en Btu/min se obtiene mediante la ecuaciori
Qr ""
111
(4.9)
(lit! _ h,,)
4.12 La ecuacion de Ia energia y eI
ciclo de refrigeracion
.,1
de la figura 4.5, que el calor
de rechazo equivale a la suma del efecto de r'efrigeracion y del calor de compresi6n. Es la suo
ma algebraica:
Resulta evidenre
(4.10)
E.R. + C.C. = C.R.
La ecuucion -1-.10 es una aplicacion
de 141
ecuacion de la energia (2.1). Como no existe
cambio en la energia del refrigerante cuando •
este cornpleta lin ciclo, la energia agregada al
sistema (0 sea. el efecto de refrigeracion 111,1S
el trabajo de cornpresion) es igual a la energia
rernovida e1el sistema (el calor de rechazo).
Ejemplo 4.7 Hallar el calor de rechazo de un
ciclo ideal que utiliza refrigerante R-22 yopera a las temperaturas de evaporacion y condensacion de 20"F y JOO°F, respectivamente. Al
compresor
e ntra vapor saturado.
Solucion Se uri liza la ecuacion
que:
C.R.
ee
nos de la cantidad de energia agregada 0 removida, en lugar de por libra de refr igerante.
Puesto que Ia cantidad de energia agregada es
igual a la cantidad de energia rernovida, Ia
ecuaci6n es entonces:
-l.S
(4.11)
en donde:
Q.
Q,.
:=
P
==
calor rechazado en el condensador
calor adquirido en el evaporador
equivalente termico de la potencia necesaria para cornprirnir el refrigerante
Todos los terrninos de la ecuaci6n 4.11 deben expresarse en las mismas unidades. Se observara que esta ecuaci6n revela que si se
conoce la cantidad de transferencia de energia en el cualesquiera dos cornponentes, queda establecida la cantidad del tercer componente.
Ejemplo 4.8 Un sistema de refrigeraci6n que
opera con una carga de enfriarniento de 10 toneladas, requiere 9 kW de potencia para cornprimir el gas. (Cual debe ser la capacidad del
condensador que se utilice?
Solucion Se utiliza la ecuaci6n 4..11, despues
de cambiar todas las unidades a Btu/min.
y se tiene
10
200 Btu/min
t X
1
lid _ III/ = 120 _ 39.:) = 80.7 Btu/lb
=
Se puede obtener el misruo resultado con
la ecuacion -1-.I O. si se adiciona el efecto de reo
frigeracion y el calor de cornpresion, romando los valores de los mismos de los ejemplos
42.4 Btu/min
I hp
P = 9 kW X ----X --...:..__
lhp
0.746kW
-l.2 v -1-.5
E.R. + C.R.
:=
67.1 + 1~).6 = 80.7 Bturlb
se puede aplicar Ia ecuaci6n de la
ene rgia al sistema de refrigeraci6n. en terrni-
2000 Btu/min
Qr
=
512 Btu/min
=
Q. + P
=
2512 Btu/min
=
2000 + 512
Tambien
Objetivos I 79
x 100
4.13 Analisis complete del
funcionamiento del ciclo ideal
Quiza la mejor manera de repasar cada una de
las caracteristicas individuales del funcionamien to, es mediante un ejemplo en el cual Sf
analice el funcionamiento completo del cielo.
Ejemplo 4.9 Un sistema de refrigeraci6n por
compresi6n de vapor, con cicio ideal y que utiliza refrigerante R-12, opera con una tempera·
tura de evaporacion de OaF y una temperatura
de eondensaci6n de 120°F. El refrigerante
sale del condensador como un Iiqu ido saturado, y del evaporador como un vapor saturado.
Calcular el porcentaje de gas de vaporizacion
subita, efecto de refrigeraei6n, flujo masico,
calor de cornpresion, calor de rechazo y potencia y desplazamiento te6rieos del eompresor.
E.R.
he -
-_ lib -
Il[
he _' hI
x
= 77.3 _ 36.0
/za
Btu/lb
= 41.3
Mediante eluso de la ecuaci6n 4.3, se halla que
el flujo masico por tonelada de refrigeraci6n
es:
1n
=
200
200 Btu/min
E.R.
4l.3 Btu/min
por
t
4.84 lbfmin por t
Se utiliza la ecuaci6n 4.4 y se tiene que el eaJor de compresi6n es:
=
Solucion Se hallan los valores apropiados en
X
40 por ciento
Se utiliza la ecuaci6n 4.1, y se tiene que el efecto de refrigeraci6n es:
C.C.
el apendice 5 y la figura A.2. Los resultados
se indican en el diagrama de la figura 4.6.
Se utiliza la ecuacion 3.1, Y se tiene que el
porcentaje de gas de vaporizacion subita es:
=
ht/ - he = 92.5
= 15.2 Btu/lb
• 77.3
Mediante las ecuaciones 4.8 y 4.9, se halla el
calor de rechazo
=
C.R.
36.0 - 8.5
100=---77.3 - 8.5
Q.
hd -
k(J
=
92.5 - 36.0 = 56.5 Btu/lb
4.84 lb/min por t
x 56.5 Btullb
273.5 Btu/min por
t
Para determinar la potencia teorica requerida
por el compresor, se utiliza la ecuaci6n 4.6
como sigue:
lJl
..0
III
'"Cl
'5
~
P
Wxm
15.2 Btullb x 4.84 lb/min por t
c
'u;
'0
~
n,
= 73.6 Btu/min por
=
36.0
77.3
t
x
1 hp
42.4 Btu/min
1.74 ~p/ton
92.5
Entalpia, Btullb
Figura 4.6 Diagrama del ejempJo 4.9
Mediante el uso de la ecuaci6n 4.7, se halla que
el desplazamiento te6rico del compresor, por
tonelada, es igual a
flff
L~·,
80 I Termodinarnica
Vt =
tI X
del ciclo de refrigeracion
m
es
1.61 pie:I/lb
x 4.84 lb/min
=
7.79 pie:1/min por
por
t
t
4.14 El coeficiente de rendimiento
Resulta convenienre poseer una sola medici6n
qlle describa con CU;lnta efectividad opera un
equipo de refrigeraci6n. II cotficicnte de rendi111;(')ltO (CDR) cumple
este objeto. Se le define
como:
CDR ==
capacidad de refrigeraci6n
suruin isrro nero de potencia
en las misrnas unidacles
(Q.)
(P),
expresi6n del CDR, para el caso del cicio de
com presion de vapor.
Ejemplo 4.10 Deterrninar el coeficiente cie reno
ciimiento para un cicio ideal pOl' compresi6n
de va par que u til iza refrigeran te R·12 y que
opera a las temperaturas de evaporaci6n y COI1densaci6n de O°F y 120°F respectivamente. Al
compresor entra vapor saturado.
Solucion Se utiliza la ecuaci6n 4.13. EI efecto
de refrigeraci6n y el calor de com presion,
ya se detenninaron
para las mismas condiciones en el ejemplo 4.9. Se utilizan estos
valores y se tiene que:
(4.12)
En esta ecuacio n, la capacidad de refrigeracion del sistema, ~., y el sumin istro neto de
poteucia al compl'esor, P, se cleben expresar
en las m ismas unidades. Po)' eje mplo, si la capacidad de refrigeracion se expresa en Btu pOl'
hora, el suministro de potencia se debe asirnis1110 expresar en 13IU pOI' horn.
EI CDR propnrciona una medicion de la utilizacion eficiente de la energia del sistema. .Debido a que siempre se desea obtener la mayor
capacidad de refrigeracion con eI menor gasto de cnergia, es conveniente con tar con el mayOI' valor pnictico del CDR. Esre CDR se puede
asim ismo expresar en rerrninos de las u nidades utilizadas en el cicio terrnodinamico
del sistema de compresion de vapor. En este caso:
CDR ==
'" ..
erecto de refrigeraci6n
(-:1:.13)
CDR =
E.R ..
41.3" Btu/lb
C.G.
15.2 Btu/lb
== 2.72
EI CDR de los sistemas reales siempre es menor que el de los ciclos ideales, debido a las
perdidas inevitables como, la fricci6n.
Es posible determinar e) CDR maximo posible para cualesquiera ternperaturas dadas e1e
evaporacion y coridensacion. Este valor es aun
mayor que el del cicIo ideal pOl' compresi6n
de vapor. Este valor se discute con mas detalie, mas adelante en este capitulo. Tarnbien se
discute mas adelante otro factor de rendimiento similar al CDR, llarnado la relacion de eficiencia de la energia (REE), el eual se utiliza
mucho hoy en dia.
4.15 Cambio de la temperatura de
evaporacion
calor de cornpresion
Las unidades de ambos terminus aun deben
ser las mismas, como Btu/lb 0 kJ/kg.
Debe renerse en cuenm que la ecuacion -1.12
es asi rnismo la definicion del CDR para rualqu ier sistema de refrigeracion. sin importar la
forma en que se obtiene dicha refr igeraciou.
La defin icion es val ida ramo para u n sistema de absorcion. como para un sistema de
compresion de npor. La ecuacion -:1-.13es la
Es conveniente conocer que efecto, si es que
hay algu no, pueden tener los cambios en las
condiciones de evaporacion 0 coridensacion,
sobre los requisitos elel funcionarniento de un
sistema de refr igeracicn. Un exarnen del diagrama p - h Yalgunos calculos mostraran cualquier efecto sabre el cicIo ideal. POl'10 general,
se puecle Ilegar a las mismas concIusiones para
un sistema real, si bien los valores pueden ser
diferentes,
Objetivos, I 81
5.0 ,-------,------r-----.,
R -12
tcond = 120°F
D
iii
.0
c
ro
.9
~
o
,'J
OJ
IL
S
a,
0-
o
u
J?
c
'0
'iii
!!!
0..
Entalpia, Btullb
Figura 4.7 Efecto del cambio de la temperatura de
evaporacion en un cicio ideal, sobre el E~R" C.C.
y el C.R.
La figura 4.7 muestra el cambio del cicio
ideal en el diagrama p - h, cuando se aumenta
la temperatura de evaporacion, con una ternperatura constante de condensacion. Resulta
obvio de la observa'ci6n del diagrarna, que el
efecto de refrigeraci6n aumenta (B'-C en lugar de B-C), y que el calor de compresi6n disminuye (C -D' .en lugar de C-D).
En la figura 4.8 se muestra el efeeto que tiene el cambio de la temperatura de evaporacion
sobre las caracteristicas de funcionamiento de
un cielo ideal que utiliza refrigerante R-12.
Una inspecci6n de las figuras 4_7 y 4.8 lleva
a las siguienres conelusiones, cuando se tiene
un aumento en la temperatura de evaporacion:
J
J
1. Aumenta el efecto de refrigeraci6n. Se reo
quiere menos gas de vaporizacion subita pa·
ra enfriar el refrigerante a una temperatura
de evaporaci6n mas elevada, dejando una
mayor proporcion de liquido para realizar
refrigeraci6n util en el evaporador.
2. Disminuye el flujo rnasico pOl' tonelada de
refrigeraci6n, al aumentar el efecto de reo
frigeraci6n.
3. Disminuye el calor de cornpresion, debido
a que se requiere menos trabajo para com.~.
O~
~L_
-20
0
_JO
~
20
40
Temperatura de ,evaporaciOn. of
Figura 4.8 Efecto del camblo de la temperatura de
evaporaci6n en un cicio ideal, sabre hp/t, PCM/t y
CDR
..;
prirnir el gas, dentro de un menor interva10 de presion.
4. Disminuye el calor rechazado par tonelada
en el condensador. Debe observarse que no
cambia mucho el rechazo de calor par libra
de refrigerante que circula.· Esto se debe
a que, si bien el efecto de refrigeraci6n
aumenta, el calor de compresi6n disminuye. No obstante, la disminuci6n del flujo
masico resulta en una disminuci6n del calor total de rechazo.
5. Disminuye el desplazamiento par tonelada
requerido par el compresor. Esto se debe
a que disminuyen tanto el flujo masico refrigerante, como su volumen especifico,
82 I Termodimimica del cicio de refrigeracion
11.Disminuye la potencia requerida pOl"tonelada. Esto se debe a que disminuyen tanto
el trabajo de rom presion, COInO el flujo.
7. Aumenta el coeficiente de rendimiento, dehido a que aumen ta el efecto de refrigeracion y disminuye el calor de compresion.
en
tCl
.0
I1l
Ol
S
c.
;g
Si bien estos efectos se refieren al ciclo ideal,
en los sistemas reales tiene lugar el mismo tipo
de efecto, el cual se debe considerar al planificar estos sistemas; ademas, este efecto reviste
una gran importancia
en 10 que se refiere a la
conservacion de la energia. Un aumento en
la temperatura de evaporacion, cia par resultado una menor dernanda de potencia por (0.
nelada de capacidad de refrigeracion.
Por
supuesto que la temperatura de evaporacion
eSI~ limitada
por lu temperatura a la eual es
necesario mantener la carga. No obstante, dentro de limites practices, las temperaturas
de
evnporacion se cleben mantener tan altas como
sea razonable.
Se observa, asimismo, que una temperatura
de evaporacion mas elevada genera una menor
demunda de desplazain ien to en el com presor
(se puedeurilizar un compresor de menorcapacidad). Es p()sible ver en la FIgura 4.8. que
la disminuciou de la temperatura de evapora·
cion riene u n efecto opuesto al de las coriclusiones indicadas anteriormenre.
La potencia requerida para producir una capacidnd dererminada, como se ha discurido en
esta seccion, es diferente de la cuestion de comofunciouani un compresor real, una vez que
se seleccione y se ponga en o peracion. Esre
asu nro se analiza 111.1.S adelante en este m ism o
capitulo. <lSI como en el capitulo 5.
~)l~i::
'.
,.
4.16 Cambio de la temperatura de
condensacion
"
',:
En la Figura -1.9se muesrra el cambio del ciclo
ideal en el diagrarna p-h. cuanclo se dislllil1l1)'l'
la temperatura de condensacion, marueniendo constante la temperatura de evaporacion.
Resulrn obvio, nl observer el diagrama, que el
D
N
tC2
C
'0
'iii
Ql
c:
Enlaipia, Btu/ib .
Figura 4.9 Ef( (0 del cambia de la temperatura de
condensacion en 'un cicio ideal, sobre el E.R., el
C.C. y el C.A.
efecto de refr igeracion aumenta (B -C, en
lugar de B-C), el calor de eompresi6n disrninuye (C-D en lugar de C-D), y que el calor
de rechazo disminuye (D I_AI, en Jugar de
I
I ,
D-A).
EI efecto que tiene el cambia de la tempe·
ratura de condensacion sobre, cad a una de las
caracteristicas de funcionamiento
se muestra
mediante los valores calculados de la FIgura
4.10, para un ciclo ideal que utiliza refrigerante
R·12.
La inspecci6n de las figuras 4.9 y 4.10, conduee a las siguientes conclusiones cuando tiene lugar una disrninucion en la temperatura
de coridensacion:
1. Aumenta el efeeto de refrigeracio n. Esto es
as! porque el refrigerante requ iere menos
enfriarniento debiclo a la mas baja temperatura de condensaci6n (A '_B en lugar
de A-B), quedando disponible mas refrigerante Iiquido para realizar refrigeracion
I,
util.
2. Disminuye el flujo masico por tonelada de
capacidad de. refrigeracion, debido a que
aumenta el efecto de refrigeracion .
..
--;t
(:.r""
..;
..:/.,
,"
'~-
-
Objetivrss I 83
5.0
R -12
lev.p =
0° F
C-
o
§
u..
o
c5
<Il
porque disminuye el flujo masico del refr igerante. No cambia el volumen especifico
en la succion del compresar.
6. Disminuye la potencia requerida par tonelada. Esto se debe a que disminuye tanto el
trabajo de cornpresion, como el flujo.
7. Aumenta el coeficiente de rendimiento, debido a que aumenta el efecto de refrigeracion, y disminuye el calor de cornpresion.
OJ
C.
E
0
0
Qj
"'0,
0
:2
(ij
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0'
l!?
0
C
OJ
'E
ctI
N
ctI
C.
II)
<D
10
0
CFfv'l/ton
o
L-
80
__L
100
---l..
120
....J 0
140
Temperatura de condensaci6n, of
Figura 4.10 Efecto del cambia de la temperatura
de condensaci6n en un cicio ideal, sabre hp/t, PCM/t
y CDR.
I
t
!
I
!
I
::1
"'t'._.
, "I'
!
3. Disminuye el calor de cornpresion debido
,a que se requiere menos trabajo para cornprimir, dentro de un intervalo de presion
mas reducido.
4. Disminuye el calor rechazado en el condensador. se observara que el rechazo de calor
por libra de refrigerante que circula, no
experimenta mucho cambia. Esto se debe
a que, si bien el efecto de refrigeraci6n
aumenta, el calor de cornpresion disminuye.
Sin embargo, la disrninucion en el flujo rnasica resulta en una disminucion del calor
rechazado.
5. Disminuye el desplazamiento requerido por
torielada en el compresor. Esto tiene lugar
Un aumento en la temperatura de condensacion tiene efectos opuestos a los antes mencion ados.
Cuando se cambia la temperatura de condensaci6n en los cicIos reales, tienen lugar los
mismos tipos de efectos de energia. Las ternperaturas de condensacion mas bajas resultan
en una reduccion significativa de la utilizacion
de la energia. Un rnetodo simple y practice para mantener bajas las temperaturas de corrdensacion, consiste en mantener limpios los tubos
del condensador. Este asunto se discuteen el
capitulo 7.
La demanda de polencia comparada coti el rendimiento 'real de los compresores existentes. Las tendencias que se muestran en las figuras 4,8, y
4.10, se utilizan para tomar decisiones con respecto a la energia, cuando se taman en consideracion la capacidad y las condiciones de
operacion del equipo en una instalacion nueva. No indican, sin embargo, cual es la energia total utilizada en un sistemaexistente, con
un compresor de desplazamiento fijo, en el caso de que cambien las temperaturas de evaporacion y condensacion. En realidad, cuando la
temperatura de evaporacion, aumenta can un
compresor existente (de desplazarniento fijo),
aumenta la demanda real total de potencia. Esto se debe a que la capacidad de refrigeracion
del sistema (en toneladas) aumenta can tanta
rapidez, que a pesar de que la potencia por tonelada es menor, aumenta la potencia total.
Estos efectos que se presentan en un sistema existente equipado can un compresor de
desplazamiento fijo, se explican en el capitu-
84 I Termodimimica
,',',',
::i·
del cicio de refrigeracion
It) 5, en donrle se analizan detalladarnente,
los
cOl1)presores reales (ver por ejemplo, las figur.is 5. J H Y 5.19). Sin embargo, es interesante
nhservar que en los sistemas equipados
con
cOll1presores multiples, 0 con cornpresores de
desplazamiento
variable (por ejernplo, con descargadores o alabes clirectores) las tendencias
de la eficiencia de la energia aqui discutidas.
podrian considerarse ell los prqcedimientos
de
operucion.
U)
.D
III
I
I
I
c:
en
:2
<ll
a:
tI= lO F
C
I
I
I
"
36.0
4.17 Elsobrecalentamiento en el
78.5
evaporador
del tipo inundudo.
eJ ref'l'igeranle por 10 general sale del evaporador
ell la cnndiciou
cle vapor sarurado. Este caso
ya se examino. En los evaporadores
del tipo
de expansion directa, el refrigerante
esui, por
10 geileral, sobrecalentado
antes de salir del
cvaporador.
Estn condicion
provee u n buen
metodo para controlar el flujo del refrigeranIt-,cuando se utiliza una valvula de expansion
termost.itica
(capitulo 8). Asimismo. ayuda a
evitar que entre liquido al ,compresor.
En el ejemplo siguiente, se calcula el funcionumiento con sobrecalentamiento
en el evaporaclor.
Figura 4.11 Efecto del sobrecalentamiento en el
evaporador (ejemplo 4.11)
c.c.
tivarnente, con l,OoFde sobrecalemamiento
el evaporndor,
Calculur las caracteristicas
fuuciounrnienro
del ciclo,
en
de
Solutiti1l EJ cirlo se muestru en la figura -l. 11.
Se util izun las tablas de prupiedades
y el diaE.R.
=
h, - It" = 7H.:'J- 36.0
=
zno
III
se rieue que:
=--=
E.R.
pOl' (
=
Ii" - h, = 94 - 78.5
C.R. = II" -
=
Iz" =
=
15.5 Btu/lb
94 - 36.0
58.0 Btu/lb
Q. = 111 x C.R ..
p
Ejemplo 4.11 Un ciclo que uriliza refrigerante
R-12. opera entre las ternperaturas de evaporucion y condeusacion
de O°F !' 120tlF respec-
p-ft. y
94.0
Entalpia, 8tu/lb
Ell los evaporadores
gruma
D
l}--L.-----/---'(")
=
=
4.71 x 58.0
=
273.2 Btu/min
t
Wx m
= 15~5 x
4.71 = 73.0 Btu/min por t
=
73.0 Btu/min
=
1.28 kWIt
CDR
por
=
E.R.
C.C.
V, = v x m
=
lkW
x------
port,
42.5
15.5
56.9 Btu/min
=
2.74
=
1.6 x 4.71
=
7_54 pies:1/min port
-12.5 BIU/lb
~()O
--'
-1:2.5
=
-1.71 Ib/min
Las diferencias
en eJ funcionamiento
entre
el cicio can)'
sin sobrecalentamiento
en el
evaporador,
se pueden observar comparando
los resultados de los ejemplos 4.9 y 4.11. Con el
Objetivos I 85
sobrecalentamiento
de 10°F utilizado en el ejern-
plo, se obtiene un pequeno aumento en el efecto de refrigeraci6n. ELdf:~p'lazal:!1!~f1to
.....~i..~Lc(_)m;
pres~oL~l}~~_~~r:._?~.bi~?..'.l_l~r_~.qu_({;i.QtL~n
.e.l
ii~ljo m~~ic~._.~sta ligera mejora aparen te en
~ni"incionamiento, no constituye la razon pOi........
la cual el refrigerante se sobrecalienta en e]
evaporador. ~ci
e~L~s..qJ.J.~..s_~_P~?:
..
v.eeasLY!LIlLe.di?excel~_I1~~
~le!=..ot::lt!.()!ar
el flujo
del·r~frig~"'-?D..!(:!~u~.!i:c!()
..s~.u~!liza..Il~~·~;-alyul·a
te~tl!(Js.t.ati~a de c:~e~l1...s.iQn
(capitulo 8). AdeffiKs, el sobrecalentamiento asegura que no lle'''''_'_'_''-'
ciente, como se puede ver en el ejemplo
guiente.
s i-
'
r
Ejemplo 4.12 Un cicio en el que se utiliza r efrigeranle R·12, opera entre las temperaturus de
evaporaci6n y condensacion
de O°F y I ~O" F
respectivamente. La linea de succio n atraviesa un espacio caliente y no refrigerado, con un
sobrecalentamiento
resultante de 60"F. Cornparar el funcionamiento del cicio con el caso
en el que no tiene lugar ningun sobrecaleruarniento.
~.~_iji~~J:c.i_Q.~
d~i£o_i1ipY~:~~t-~~£~i.gg:ar.ffe~ep
Solucuin EI cicio se muestra en la figura 4.12.
A continuaci6n se presentan los calcu los.
forma c!<:!Jfq!:l_~clgL).'a que esto puede ocasionar
ci~~iios-~al
CO~PI~~_9:r:····
- ...
• En realidad, alga hay que pagar por el sobrecalentamiento
del refrigerante que se efecnia en el evaporador. Es necesario aurnentarIa
superficie del evaporador, a fin de proveer
la transferencia adicional de calor, para sobrecalentar el vapor. La transferencia de calor a
un vapor es menos eficiente que la transferencia a un liquido en evaporacion, Si la superficie
adicional hubiera sido utilizada para la evaporacion, habr ia sido posible elevar la ternperatura de evaporacion, mej?rando asi el
funcionamiento del sistema, como ya se demostro. Sin embargo, usualmente el refrigerante
se sobrecalienta con fines de control en un evaporador del tipo de expansion directa. Las
temperaturas tipicas de control del sobrecalentamiento varian entre 5°F y l40F.
E.R.
= h,
- ha = 77.3 - 36.0
=
41.3 Btu/lb
20"0'
200
R.E.
41.3
m'=- =--
== 4.84 Ib/min por
.c.c. ~ hd
t.
-hc' = 104 :-:86 = 18 Btullb
C.R. = hd - Ita
=
=
104 - 36.0
~8 Btu/lb
vi
.c
ra
4.18 El sobrecalentamiento en la
linea de succion
N
Cl
:;
0-
f!
c
'iii
'0
Cuando la linea de succion del gas tiene una
longitud considerable, en la misma pueden
ocurrir posibles efectos adicionales de sobrecalentamiento. Si la linea atraviesa por un espacio caliente y no refrigerado, la cantidad de
sobrecalentamiento
puede ser significativa, y
se debe considerar al analizar el cicio en el diagramap-h.
Sin embargo, en este casa no se
obtiene ningun enfriamiento provechoso. Ademas, el funcionamiento
del cicIo es menos efi-
~
a.
36.0
77.3
86.0
104.0
Entalpia, Btullb
Figura 4.12 Efecta del sobrecalentarniento en la linea de succion fuera del espacio refrigerado (ejempia 4.12).
86 I Terrnodinamica del ciclo de refrigeracion
~ =
=
68 Btu/lb x 4.84 lb/min por
t
329.1 Btu/min por t
P=WXm
4.84 Ib/min por t
1 hp
x---~-= 87.1 Btu/min por t
42.4 Btu/min
=
=
VI =
18 Btu/lb
X
2.05 hp/r
V X
m
I
;
1.8 pie31lb x 4.84 lb/min por t
LI, "
=
CDR
8.71 pie3/min por t
E.R.
C.C.
=
41.3'Btullb
2.29
18 Btu/lb
En la tabla 4.1 se hace una cornparacion del
. funci~namiento con sobrecalentamiento en la
linea de succion y que no produce un enfriamien to titil, con el caso en que no ocurre este
efecto. El sobrecalentamiento en la linea de
succion, que no produce un enfriamiento util,
presenta los resultados siguientes:
1. Aumenta el calor de cornpresion.
2. Aumenta el calor de rechazo. Es preciso
remover el sobrecalentamiento adicional
adernas del calor de compresion aumentado.
3. Aumenta la potencia requerida por tonelada en el compresor, debido al aumento del
calor de cornpresion.
Tabla 4.1., Etecto que tiene.el sobrecalentamiento no
util de 60°F en la linea de succion, sabre el funcionamiento del cicio ideal (R-12, te = OaF, tc = 120°F)
Sobrecalenlamienlo
;-:-:
'i; '~
Factores de funcionamiento
E.R. (Btullb)
m(lb/min par t)
C.C. (Btudb)
Polencia requerida (hpj!)
CDR
Desplazamiento requerido (PC MIt)
OaF
41.3
4.84
15.2
1.74
2.72
7.79
60°F
41.3
4.84
18.0
2.05
2.29
8.71
4. Disminuye el coeficiente de rendimiento,
debido al aumento del calor de cornpresion.
5. Aumenta el desplazamiento requerido en el
compresor, debido al aumento del volumen
especifico.
Es necesario proveer aislamiento a la linea
de succion, a fin de reducir cualquier sobrecalentamiento indeseable. Esto presenta un beneficio adicional al evitar la condensacion de
la humedad sobre la tuberia. A temperaturas
de evaporacion mas elevadas (en el intervalo
del aire acondicionado), puede no ser necesario aislar la linea de succion, en el caso en que
el beneficio no resulte ser significativo, y si no
tiene lugar un sobreealentamiento excesivo.
Desde eI punto de vista de Ia conservacion
de la energfa, elaislamiento de la linea de sue. cion puede reducir la demanda de potencia de
un 10 a un 15%, en las aplicaciones a baja temperatura.
El sobrecalentamiento excesivo del gas reo
frigerante puede producir en el compresor
temperaturas inaceptablemente elevadas, 10
que conduce a problemas de lubricacion y posiblemente, hasta darios en las valvulas (capitulo 5).
Si la linea de succion se halla en el espacio
refrigerado, d sobrecalentamiento del gas de
succion produce entonces un provechoso efecto adicional de refrigeracion, y el funcionamiento no se ve afectado adversamente.
4.19 EI subenfriamiento del
refrigerante
EI refrigerante liquido puede subenfriarse, ya
sea en el condensador 0 en un intercainbiador
adicional de calor. El diagram a del cido se
muestra en la figura 4.13. Resulta aparente, de
la inspeccion del diagrama, que el efecto de refrigeracion aumenta con el subenfriamiento,
y que se produce menor cantidad de gas de vaporizacion subita. En la tabla 4.2 se comparan
las caracteristicas de funcionamiento de un cielo con 20°F de subenfriamiento, con otro sin
Objetivos I 87
Entalpia,
Btu/lb
Figura 4.13 Efecto del subenfriamiento sobre el
efecto de refriqeraclon.
subenfriamiento, para las condiciones rnostradas.
. EI subenfriamiento resulta en una potencia
mas baja requerida por el compresor, por unidad de capacidad, y un mayor coeficiente de
rendimiento. Adernas, tambien disminuye el
desplazamiento requerido por el compresor.
Luego, resulta obvio que el subenfriamiento es
conveniente, y constituye por tanto, una practica cornun. Desde el punto de vista de la conservaci6n de la energfa, -elsubenfriamiento puede
facilmente reducir el consumo de energia de
un 5 a un 15%. Existen diferentes maneras
de alcanzar el subenfriamiento sin tener que
utilizar tin condensador de mayor capacidad.
Tabla 4.2 Etecto del subenfriamiento de 20°F del
liquido, sobre el funcionarniento del ciclo ideal (R·12,
4=
OaF, ~ = 120o~
Su6enfriamifmto
Factores de funcionamiento
E.R. (Btuzlb)
m (Ib/min par t)
C.C. (Btu/lb)
Palencia requerida (hp/t)
CDR
Desplazamiento requerida (PCMIl}
OaF
41.3
4.85
15.2
1.74
2.72
7.79
20°F
46.0
4.35
15.2
1.56
3.03
7.00
En el capitulo 7 se cliscuten los rnetndos relur.ionados con la construccion y operacion del COIldensador, En la secci6n siguiente se discute otro
metodo, para obtener un resultaclo semeja.nt e.
Constituye una ventaja adicional del subenfriamiento eI hecho de que se reduce la p osibilidad de que tenga lugar una vapor izac ion
subita del refrigerante liquido, en la linea del
liquido antes de llegar al dispositive de control de flujo. Esto sucederia si tuviera lugar una
excesiva caida de presion en la linea delllquido. Como el gas de vaporizacion sub ita posee
un volumen especifico mas elevado que el l iquido, el flujo rnasico se reducir ia, afectando
adversamente el funcionamiento del sistema.
4.20 Cambiadores de calor de
liquido y succion
Es conveniente aprovechar el gas frio de suecion para subenfriar el refrigerante liquido calien te que sale del condensador, y a la vez
suministrar at'gas cualquier sobrecalentarrriento adicional necesario para impedir que entre
liquido al compresor. La manera mas simple
de conseguirlo, es poniendo en contacto las IIneas de succiony del liquido en toda su lorigitud. Con ei fin' de aurnentar el intercambio de
calor, los tubos se pueden soldar y luego aislar del aire ambiente.
En el caso en que las Iineas sean dernasiado
cortas, se puede aumentar el intercarnbio de
calor mediante un cambiador de calor de liquido y succi6n. La figura 4.14 muestra en forma esquernatica un circuito en el que se utiliza
un cambiador de calor. Su construcci6n se discute en el capitulo 11.
La utilizaci6n de este calor para producir
el subenfriamiento
deseado, generalmente
constituye un ventajoso ahorro de energia a
temperaturas mas bajas, cuando se Ie com para
con el sobrecalentarniento del gas de sueci6n
fuera del espacio refrigerado, 10 cual se demostr6 que reduce el rendimiento. Sin embargo, a
las temperaturas de succi6n correspondientes
a las aplicaciones del aire acondicionado, el po-
'~.""''''',
~ .,.
->.
88 / Termodirnimica
del ciclo de refrigeraci6n
Inlercambio
de calor
A
Condensador
c'
c
C
Compresor
Evaporador
(a)
Sobrecalenlamiento
del gas de succlon
caida de presIOn en la direccion del flujo.
Este efecto real no se torno en cuenta cuando
se analiza y definio el ciclo ideal. En general, estos efectos se deben considerar si se
ha de llevar a cabo un analisis preciso del
cielo.
Es practica cormin en la industria de la refrigeraci6n, expresar la caida de presion en las
tuberias como una caida eouioalente de la temperatura de saiuracum. (Hamada caida de presion
equivalente). ESlOes conveniente porque las
condiciones a la entrada y salida del compresor, se expresan generalmente como las ternperaturas saturadas de succion y descarga (a
pesar de que el gas esta real mente sobrecalentado) y los compresores se clasifican segUn estas condiciones saturadas.
La temperatura saturada de succion se define
como la temperatura de saturacion correspondiente a la presion a la entrada de succum del
compresor.
.Entalpia, BlUllb
(b)
Figura 4.14 Utilizaclon del cambiador de calor de
llquido y succion para sobrecalentar el gas de suecion y subenfriar el llquido. a) Distrlbucion del equipo. b) Diagrama del ciclo (notese el cambia de
entalpia ha -a' = he' -c).
'i'· ;.
h:~.:
sible ligero aurnento en el rendimiento, generalrnente no justifica el usa de un cambiador
de calor. De todas maneras, su usa generalmente no es aconsejable en los sistemas que utilizan
refrigerante R-22 0 amoniaco. Con estos refrigerantes, las elevadas ternperaturas de succion
pueden dar por resultado que la temperatura
del gas caliente de descarga sea excesiva, ocasionando el sobrecalentamiento del compresor.
La capacidad de ]05 compresores se discute
en el capitulo 5_
Las tuberias se dimensionande acuerdo con
caidas de presion especificas, que dan como reo
sultado un buen funcionamiento y un costo razonable (ver capitulo 11). POl' ejemplo, las
Iineas de succi6n se dimensionan a menudo
para que tengan una caida .de presion "equivalente a una caida de 2°F en la temperatura
de saturacion", Este metoda se ilustra con el
ejemplo siguiente.
Ejemplo 4.13 Un sistema de refrigeracion que
utiliza refrigerante R-502, opera a una temperatura de evaporacion de 40°F. La linea de
succion tiene una caida de presion equivalente
a 2°F. ~Cual es la caida de presion en Ia linea
de succion, y la temperatura saturada de suecion, a la entrada del compresor?
4.21 Caida de presion en las lineas
Solucum La temperatura saturada de succi6n
El efecto de la friccion sabre el flujo de cualquier fluido en una tuberia, resulta en una
es de 40 - 2 = 38°F. Se utiliza el apendice
7, y se hallan las presiones de saturacion a
Objetivo-s I 89
40°F Y 38°F. Los calculos roman la forma
siguiente:
Temperatura
Presion
40°F
95.2 Ib/pulg2 abs
Refrigerante
saturado
"Caida de presion
equivalente" en
la linea de
succion
- 2°F
Condiciones
saturadas de
suedon. a la
entrada del
compresor
38°F
Caida de presion
en la linea de
succion
92.1 Ib/pu!g2 abs
3.1 Ib/pulg2 abs
Se debe observar que cuanclo se t ierae en
cuenta la caida de presion en la linea de gas
caliente, la temperatura equivalente se debe
agregar a la temperatura saturada de con densaci6n, para hallar la temperatura de sa tu racion en la descarga del compresor. Esto re sulta
del hecho de que la presion en la descarga del
compresor es mas elevada que a la entrada
del condensador; 10 contrario es cierto en reo
laci6n can la entrada del compresor y del
evaporador, como se ve en la figura 4.15.
En la figura 4.15 se rnuestra el cicio del
refrigerante can caida de presi6n en Jas Ifneas
de succion y descarga. EI efecto de cad a un a de
elIas se muestra par separado, para hacer mas
clara la explicacion. Se observara que tanto el
Caida de presion en la
linea de descarga (0-0')
Calor de rechazo con caida de presion
. Calor de rechazo sin caida de presion
Presion de descarga
Of
'"
.D
III
OJ
01
'3
a.
;e
C
'0
'iii
e
o,
B
-----o----------------------------------~
Caida de presion en la
Presion de evaporaci6n
linea de succlon (C-C ')
Presion de succlon
Calor de compresion sin
caida de presion
Calor de compresion con
caida de presion
Entalpia, Btullb
Figura 4.15 Efecto de la caida de presion en las
lineas de succion y descarga.
~ff:
r-F:·
90 I Terrnodinarnica del cicio de refrigeracion
calor de compresion como el calor de rechazo,
aumentan debido a la caida de presion en las
lineas de succion y descarga. Puesto que el efecto de refrigeracion no cambia, se deduce que
la potencia requerida par unidacl de capacidad
aurnenta al mismo tiempo que disminuye el
coeficiente de rendimiento, como resultado de
las caidas de presion. Esto es de esperarse,
debido a que aumenta el intervalo de presion
a craves del cual se debe comprimir el gas.
Se observara que las caidas de presion
en las lineas se suponen a entalpia constante
(lineas verticales): esto es, se supone que existe una transferencia insignificante de calor
entre el gas y el medio circundante. Esto cons-
tituye, por 10 general, una aproxirnacion
sa-
tisfactoria.
Tarnbien tendra lugar una caida de presion
en el evaporador y en el condensador, como
resultado de la fricci6n. Igual que en el caso
de cualquier otra perdida de presion, existe un
efeeto indeseable en el funcionamiento del ciclo. En muchos easos, sin embargo, en el analisis no se tiene en cuenta la caida de presion
en el evaporador yen el condensador, debido
a que el efeeto a menudo es pequefio, Cuando
la caida de presion es alta, los fabricantes ajustan la capaeidad de sus evaporadores.
En la figura 4.16 se muestra el diagrama
de un cicio que presenta todos los efectos
Calor de rechazo
A-B, dlsposltlvo de expansion
B-C, evaporador
C-C " linea de succlon
C '-0'. eompresor
0'-0, linea de desearga
o-A condensador
Caida de presion
en la linea de descar9a
Subenfriamiento del
Elirninacion del
Condensacion
vi
.c
ra
Sobrecalentamienlo
del gas de succlon
Evaporaclon
Caida de presion
en la linea de succion
Eleelo de refrigeracion
Calor de cornpresion
Entalpia, Blu/lb
Figura 4.16 Cicio de compreslon de vapor con subenfriamiento del lfquido, sobrecalentamiento del
gas de succion y caida de presion.
s-
D'
Objetivos I 91
que se acaban de estudiar. Se puede llevar
a cabo un analisis del funcionamiento, de
la misma manera como se ha hecho con ante-
4.23 La relacion de la eficiencia de
Ia energia (REE)
rioridad.
Las perdidas par friccion en el proceso de
compresion resultan en un aumento de la enrropia y de la temperatura del gas caliente de
descarga. Este efecto se puede hallar mediante una prueba real en un compresor, y se discute en el capitulo 5.
La relacion de la eficiencia de la energia (REE)
constituye otra manera de medir la eficie ncia
de la operacion del equipo de refrigeraci6n,
y que es diferente del CDR. Se expres a mediante la siguiente ecuacion:
REE
4.22 Conservacion de' la energia
capacidad uti! de enfriamiento
=
Q,
p
=
Btuth
(4.14)
entrada de potencia, W.
A continuacion se presenta un resumen de los
efectos de los ciclos que dan como resultado
un consumo reducido de energia por unidad
de capacidad de refrigeracion, En algunos ca50S, las sugerencias acerca del modo de obtener
estos beneficios se expondran en un memento
mas apropiado.
1. Operar a bajas temperaturas de condensacion. Esto se puede lograr utilizando condensadores de gran capacidad y manteniendo
limpias las superficies de transferencia de
calor. (Mas adelante se explicara como una
temperatura de condensacion extrernadamente baja, puede causar un funcionamiento erratico del sistema).
2. Operar a elevadas temperaturas de eva poracion. Esto se puede lograr utilizando evaporadores de gran cap acidad.
3. Dimensionar las tuberfas de las Iineas del
refrigerante para obtener caidas de presion
razonablemen te bajas.
4. Diseriar y operar el sistema a fin de proveer
un subenfriamiento significativo del liquido en el condensador.
5. Utilizar un cambiador de calor del tipo de
liqu ido y succi6n, si el anal isis muestra
que se mejora significativamente el rendimiento. No se debe utilizar con un reo
frigerante en caso de que la temperatura
de descarga del gas caliente sea demasiado
elevada.
La REE tiene los dos mismos terrninos que
la ecuaci6n del CDR, y por consiguiente, mide la misma eficiencia de utilizaci6n de la energia. Sin embargo, difieren las unidades de la
ecuaci6n, y por tanto, los valores numerico s de
la REE son diferentes de los del CDR, para las
mismas condiciones. La REE se ha desarrollado
porque es mas facil que el usuario la comprenda y utilice. En ciertos lugares y circunstancias,
se requiere legal mente que las placas de identificaci6n de los equipos de aire acondicionado
y refrigeraci6n indiquen los valores de la REE
en condiciones normales. Como la REE y el
CDR carnbian segun las condiciones, a menudo resulta dificil obtener un valor realista de
la REE bajo condiciones variables de operaci6n.
Una de las maneras de obtener este valor, es
mediante el uso de la relaci6n temporal de eficiencia de la energia (RTEE), la cual trata de
medir el valor promedio de la REE del equipo
en un periodo temporal de enfriamiento.
Ejemplo 4.14 Una unidad de aire acoridicionado tiene una REE de 7.7 (en condiciones
normales) y una capacidad nominal de 9200
Btu/h. ~Que potencia se espera que pueda ser
u tilizada bajo condiciones normales?
Solucum Se u tiliza la ecuaci6n 14.14 para
determinar el valor de la paten cia de entrada:
92 } Tennodimimica del cicio de refrigeracion
p ==
Q,
9200
REE
7.7
=
PREGUNTAS DE REPASO
1200 W
Las normas recornendadas para la conservacion de la energia de los equipos de aire aeondicionado y refrigeracion, se pueden encontrar
en la publicaci6n 90·80 de las normas de la
ASHRAE (American Society of Heating, Refr igerating and Air-Conditioning Engineers). [Sociedad americana de ingenieros de ealefaeci6n,
refrigeraci6n y aire acondicionado].
4. 2 4 Coeficiente maximo de
rendimiento
Se puede demostrar, basandose en la segunda
ley de la terrnodinamica, que un sistema de reo
frigeraciori tiene un coeficiente maximo posible de rendimiento:
CDRm
(4.15)
=
en donde CDRm
T)
T'2
=
maximo CDR posible para un sistema de refrigeraei6n
temperatura a la que se
absorbe calor de la earga
de enfriamiento
temperatura a la que se
rechaza calor hacia un
medio que absorba calor
La deducci6n de esta ecuaci6n puede hallarse en cualquier texto de terrnod infirnica. Las
ternperaturas en la ecuaci6n se deben expresar en unidades absolutas, Kelvin (K), 0 Rankine (R).
EI valor de la ecuacion 4.1S reside en el hecho de que muestra el limite superior de la eficiencia. En realidad, el CDR de las maquinas
reales, es siernpre considerablemente
menor
que el maximo posible, debido a la friccicn y
otras perdidas.
1. Enumerar algunas de las caracteristicas importantes del funcionamiento en un sistema de refrigeracion.
2. Explicar los terrninos proceso, ciclo, y operacion uniforme.
3. c:Cmiles son las diferencias entre un cicIo
ideal de refrigeraci6n y los ciclos reales?
c:Por que es conveniente estudiar el cicio
ideal?
4. Dibujar un diagrama p-h que muestre el
cicloideal de compresi6n de vapor. Identificar cada punto del diagrama y sefialar
la localizaci6n de los mismos en un dibujo esquernatico del sistema de refrigeracion de una planta.
S. c:Que propiedad perrnanece 'coristante en
cada: uno' de los procesos del cicIo ideal?
6. Dibujar un diagrama p - h Ytin cicIo ideal;
serialar sabre el mismo, el efecto de refrigeraci6n, calor de com presion y calor de
rechazo. c:Gual es su reIaci6n aritrnetica?
'7_ Explicar por que cae la temperatura del refrigerante cuando este pasa por el dispositivo de control de flujo. '.
8. (Par que es importante calcular el rendimiento del cicIo te6rico de com presion?
9. Describir los efectos que tiene el cambia
de la temperatura de evaporacion sobre las
caracteristicas de funcionamiento
del sistema. Explicar las causas en cada caso, Utilizar como auxiliar un dibujo del diagram a
p-h.
10. Describir el efectO que tiene el cambio
de las temperaturas de condensaci6n sobre
las caracteristicas de funcionamiento
del
sistema, Explicar las causas en cad a caso.
Utilizar como auxiliar un dibujo del diagrama p-h.
11. (Que es el sobrecalentamiento?
c:Cu5.les
son los efectos del sobrecalentamiento
en:
a. El evaporador.
Problemas I 93
en el espacio refrigerado.
c. La linea de succi6n fuera del espacio refrigerado?
b. La linea de succi6n
12- c:Que es el subenfriamiento? c:Cuales son.
los efectos del subenfriamiento?
13. c:Cuales son las funciones de un cambiador
de calor de liquido y succi6n? Trazar un
esquema de un sistema de. refrigeraci6n
con este earn biador.
14. Explicar el terrnino caida de presion equiualente.
15. c:Cuales son los efectos de 1a caida de pre·
sion en las lineas de succi6n y descarga?
16. Explicar el significado del CDR, el maximo CDR y la REE. (Por que es conveniente
conocer sus val ores?
17. Enumerar algunas maneras de conservar
la energia 'en:
a. EI diserio.
b. La operaci6n de los sistemas de refrigeraci6n.
PROBLEMAS
4.1 Un cicio ideal de refrigeraci6n por compresion de vapor, el cual utiliza refrigerante
R-502, opera a las temperaturas de evaporaci6n
y condensaci6n de 4°F y 100°F respectivamenteoEI refrigerante sale del evaporador como un
vapor saturado. Determinar:
4.2 Determinar los valores enumerados en
el problema 4.1, para un cielo ideal de refr igeracion que utiliza refrigerante R-717 y opera a
las temperaturas de evaporacion y conde nsacion de 10°F y 96°F respectivamente.
4.3 Hallar los valores enumerados en el problema 4.1, para un cicIo ideal de refrigeraci6n
que utiliza refrigerante R-12 y opera a las ternperaturas de evaporaci6n y corid ensaciorr de
30°F y 120°F respectivamente.
4.4 Una unidad de refrigeracion opera con
una capacidad de enfriamiento de 34 toneladas
de refrigeracion. EI compresor utiliza 40 kW de
potencia para comprimir el gas. (Cual es el
calor de rechazo en el condensador, expresado
en Btu/min? (Cual es el coeficiente de re ndimiento de la unidad?
4.5 Un enfriador de agua enfria 64 GPM de
agua, de 55°F a 42°F. Tiene un condensador
enfriado por agua, que utiliza 100 GPM de la
misma. La temperatura del agua de entrada y
de salida del condensador es de 88°F y 95°F
respectivamente. (Cual es la potencia neta en
kW que se utiliza en el compresor? (Cua! es el
coeficiente de rendimiento? (Cuil es el hp/t?
4.6 Determinar el coeficiente de rendirn iento de un sistema de cicIo ideal que utiliza
refrigerante R·12, con las siguientes co n dicrones:
a.
a. EI efecto de refrigeraci6n en Btullb.
b. EI flujo masico en Ib/min.
c. EI calor de compresi6n en Btu/lb.
d. El calor de rechazo en Btu/lb.
e. Potencia teorica del compresor en hplt
f. Desplazamiento te6rico del compresor
en pie3/min.
g. Porcentaje
del gas de vaporizacion
siibita.
h. Coeficien te de rendimiento.
b.
c.
Temperatura de
euaporacion
(oF)
Temperatura de
condensacum
(oF)
26
32
26
94
94
106
Explicar el significado de los resultados en 10
que respecta a la conservaci6n de la energia.
4.7 Un cicio de refrigeraci6n que utiliza reo
frigerante R-502, opera a las temperaturas
de evaporaci6n y condensaci6n de 4°F y 100°F
respectivamente.
El refrigerante sale del evaporador con 20°F de sobrecalentamiento.
De-
94 J Termodinamica del ciclo de refrtgeracion
1;
ft'·
terminar el efecto de refrigeraci6n. flujo masico, calor de cornpresion, calor de rechazo, palencia teorica del compresor, desplazarniento
teo rico del compresor y coeficiente de rendimi erito. Elaborar una tabla para comparar los
resultados con los encontrados en el problema 4.1, Y explicar su significado en terrninos
de la utilizacion de la energia.
4-8 Para el mismo cicIo de refrigeracion y
las condiciones indicadas en el ejemplo 4_7.excepto que el refrigerante sale del condensador
con 15°F de subenfriamiento, hallar las magnitudes pedidas en el problema 4.7. Elaborar
una tabla para comparar los resultados y explicar su significado' en terrninos de la utilizacion de la energia ...
4.9 Un sistema de refrigeraci6n que utiliza
refrigerante R22. opera a una temperatura de
evaporaci6n de 32°F. La linea de succion tiene una caida de presion equivalente a 2°F_ Haliar la caida de presion en la linea de succion,
)' la temperatura saturada de succi6n a la entrada del com presor.
4.10 Un cicio ideal de refrigeracion por
com presion de vapor. en el cual se utiliza refrigerante R·22, opera a una temperatura de evaporacion de - 2°C, Y una temperatura de
condensacion de 42°C. EI refrigerante sale del
avaporador como un pavor saturado. Determinar:
EI efecto de refrigeracion en kJ/kg.
EI flujo rnasico.
El calor de cornpresion, kJ/kg.
El calor de rechazo en kJ/kg.
La potencia teorica del compresor en
kW.
EI
desplazamiento teorico del com pre!
sor en mg/min.
.
.. g. El coeficiente de rendirniento,
a.
b.
c.
d.
e.
4.11 Se utiliza refrigerante R-717 en un
sistema ideal de compresion de vapor, que opera a las temperaturas de evaporacion y condensacion de - 12DC, Y 40°C respectivarnente. El
refrigerante sale del evaporador como un vapor saturado. Hallar las magnitudes pedidas en
el problema 4.10.
Capitulo
COMPRESORES RECIPROCANTES,!
ROTATORIOS Y HELICOIDALES (DE TORNILLO)
En este capitulo se examinan algunos tipos de
compresores y su construccion, funcionamiento
y seleccion. Solamente se analizan los com pre·
sores modernos y sus caracteristicas, incluyendo
los factores de conservacion de la energia. No
se estudiaran los tipos de compresores que ya
no se fabrican 0 que dificilmente se encuentran en el mercado.
7. Mostrar y explicar el efecto que las condiciones cambiantes tienen sobre el funcionamiento de un compresor dado ..
• 8. Sugerir algunas medidas para la conservacion de la energia, que se deben tener en
cuenta al seleccionar y operar los compresores.
5.1 Objeto del compresor
QBJETIVOS
EI estudio de este capitulo perrnitira:
·.
l
1
1. Describir la operacion basica e identificar
los componentes de cada tipo de compresor de desplazamiento positivo.
2. Identificar las principales diferencias entre
los compresores abiertos y los herrneticos,
y sus ventajas relativas.
3. Explicar que es penetracion, escurr imiento y migracion del refrigerante, y sus causas.
4. Describir diferentes metodos de control de
la capacidad del compresor reciprocante y
sus caracteristicas.
5. Calcular el desplazamiento del compresor.
6. Seleccionar un compresor apropiado para
determinada aplicacion,
La principal funcion de un compresor de reo
frigeracion es aumentar la presion de evaporizacion, hasta la presion ala cual el gas puede
ser condensado. Como se explico en el capitu10 3, la presion debe aumentarse hasta alcanzar la presion de saturacion correspondierue
a la temperatura de coridensacion.
La funcion principal del compresor (el
aumento de presion) produce algunas funciones secundar ias, si bien son necesarias.
La elevada presion de descarga proporciona
la energia necesaria para hacer que el refrigerante circule a traves de la tuberia y el equipo,
venciendo la resistencia de friccion. Adernas,
el gran diferencial de presion creado motiva
la expansion sub ita en el dispositivo de control de flujo, causando una caida de temperatura.
96
r Cornpresores
5.2 T'ipos de compresores
,
',r
j.
. I·
, r··
'!i!illt.
;.;r.,..
:: ~~~:
:"~'I~::,~-~
q"'.'il~'!'
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:'12'
A'!.
i qi r l'E~,.
[;l ;~':;J.~;~!
-I(IIJI
Los compresores de refrigeracion pueden clasificarse en dos grupos principales, dependiendo de como se logra el aumento de presion del
gas. A los com presores del pri mer gru po se les
IIa rna de desplazamicuto posit iva y a los del segu nelo se les llama compresores dnuunicos. Existen
t res tipos de compl·esores de desplazamiento
positivo: rrciprorontes, rotatorios y helicoidales (de
tornillo). Solarnente hay un tipo de compresor
din.imico que se usa en los sistemas de refrigeraci6n, llarnado compresor centrifugo. Existen
otrus tipos de compresores dinamicos, como
el compresor de flujo axial, el cual no se utiliza en los sistemas de refrigeracion.
Todos los compresores de desplazamiento
positivo, para aumentar 1a presion del gas, admiten 1111£1 dererminada cantidad de este en un
volumen limirado, y enseguida reducen este volumen. La disrninuciou
del volumen del gas
hace que la presion del mismo aumente (a me!lOS que se eufrie).
Los cornpresores centrffugos se estudian en
el capitulo 10.
COMPRESORES RECIPROCANTES
5.3 Operacion y construccion
La construccion de los compresores reciprocantes es semejante a la de los motores reciprocantes del tipo automotriz, los cuales se
componen de cilindros, pistones, un eje de
transmision
y valvulas de succi6n y descarga.
EI compresor puede tener uno 0 mas cilindros.
La operacion basica del cornpresor se muestra en la figura 5.1. Una maquina 0 motor
electrico, acciona el piston del compresor, mediante un sistema de transmision. Cuando el
piston se mueve hacia abajo en su carrera de
succion, el volumen creciente del ciljndro
da por resultado una disminuci6n de la presion por debajo de la que existe en la linea de
succion. La diferencia de presion motiva que se
1':·,' ~',',
Succl6n __
-Desca:rga
Carr~~ade
succion
j
Carrerade
descarga
I
o
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Figura 5.1 Operacion del compresor reciprocante.
a) Carrera de succion. EI aumento del volumen reduce la presion en el cilindro. La presion en la Ifnea de succi6n, obliga a la valvula de succion a
abrirse. La presion en la linea de descarga mantie-
ne cerrada la valvula de descarga. b) Carrera de
descarga. La dlsrninucion del vofumen eleva la presion en el cilindro, obligando a la valvula de descarga a abrirse. La presion en el cilindro mantiene
cerrada la valvula de succi6n.
Compresores reciprocantas I 97
RESOATE
MONTAJE
DE SEGUAIDAD
DE CABEZAL
DE LA VALVULA
DE DESCAAGA
DE DESCARGA
DEL CABEZAL
VALVULA
VALVULA
DE
DESCARGA
DE SERVICIO
VALVULA DE SERVICIODE SUCCION
DE DESCARGA
PISTON
BOMBA
DE BARRIDO
VALVULA DE SUCCION
DEL ACEITE
CHUMACERA
PRINCIPAL
BIELA
ANTERIOR
~-CAMISA REMOVIBLE
DEL CILINDRO
ORIFICIO DE COMPENSACION
CHUMACERASPRINCIPAlES
POSTERIORES
TAPONES
MAGNETICD5
PARA El ACEITE
ROTOR
SUMINISTRO
/
CAMARA DE SEPARACI6N
DE ACEITE A
A LOS COJINETE5
FILTROS DE LA SUCCI6N •
CALENTADOR
DE ACEITE
DEL CARTER
BOMBA
DE LA PRESION
ACEITE (NO SE MUESTRA
CIRCUITO
DEL
EL
DEL ACEITE QUE VA A
LA VALVULA
DE ALiVIO 0 Al
DESCARGADOR
FIL TRO DE ACEITE DE
FLUJO PLENO
vALVULA
VARILLA DE PRUEBA PARA LA
PROTECCIONINTERNA DEL
MOTOR
DE CARGA Y DRENAJE
DEL ACEITE
Figura 5.2. Compresor reciprocante del tipo abierto.
FILTRO DEL ACEITE DE LA
BOMBA DE BARRIDO
98
I Compresores
abra la valvula de succion, y el gas refrigerante fluye al cilindro. La valvula de descarga per·
maneee cerrada, debido a que la presion en la
linea de descarga es mayor.
Cuando el piston se mueve hacia arriba en su
carrera de compresion, la disminucion del volumen hace que aumente la presi6n del gas. Esto
obliga a la valvula de succion a permanecer cerrada, Cerca del final de la carrera, la presi6n del
gas aumenta hasta alcanzar un valor par encima
de la presion existente en Ia linea de descarga,
obligando a la valvula de descarga a abrirse, yentonces, el gas cornprirnido fluye a la linea de descarga y hacia el eondensador. Se observara que
el compresor efecnia la succion y com presion del
gas en cada revolucion del ciguenal
Esta operacion del compresor se llama de
simple accion, debido a que la compresi6n tiene lugar solo en un extremo del cilindro. En
los compresoTes antiguos "debaja velocidad, se
utilizaba otra construccion de los mismos, en
la eual el gas se comprime en cambios extre1110S del cilindro (doble aeci6n).
5.4 Compresores abiertos
. -. ~:
':.
En un eompresor abierto, el eje se prolonga a
traves del carter (figura 5.2). La transrnision al
compresor puede ser directa 0 por medio de
bandas. Si se trata de un eompresor aceionado directamente, el eje de este generalmente
se eoneeta al eje motriz mediante un acoplamiento flexible. Este acoplarniento sirve para
absorber el exeeso de vibracion y los impactos
y proporciona un metodo sencilJo de alinear
los dos ejes. Si la unidad rnotriz es un motor
electrico, la veloeidad directa de operacion, utilizando corriente de 60 Hz, es de aproximadamente 1,750 0 3,500 RPM. Los compresores
accionados por bandas utilizan una polea en
cada eje, las cuales se conectan por inedio de
las bandas. La velocidad del eompresor puede
cambiarse utilizando
poleas de diferentes
diametros.
Es cormin que los fabricantes proporeionen
unidades cornpletas de com presion, las cuales se
Figura 5.3. Unidad de compresor, con motor y base. (The Trane Co.)
componen de cornpresor, motor y a veees de
arrancador, montaclos en una base cormin (figura 5.3). Esta disposiei6n es conveniente, pues ge·
neralrnente se reducen los costas de instalacion.'
Debido a las ternperaturas y al calor generaclo durante la compresion, los compresores de
arnoniaco confrecuencia requieren enfriamiento. Este enfriarniento generalmente se 10gTa
mediante la integracion de una carnisa de agua,
semejante a la de los rnotores de los automoviles.
5.5 Compresores hermeticos
EI compresor del tipo hermetico es aquel en el cual
el compresor y el motor estan integrados en un
eje, y contenidos ambos en una caja sellada a
presion. Los cornpresores de tipo herrnetico se
fabrican ya sea completamente herrneticos 0 semiherrneticos (tam bien se les llama herrneticos
desarmables). EI eompresor herrnetico tiene
una caja soldada y selIada (figura 5.4), y no
puede ser reparado en el campo de trabajo. Es
compacto, silencioso y de bajo cos to. Estas caracteristicas han propiciado .su usa generalizacIoen los refrigeradores dornesticos , y en otros
equipos integrales pequefios. EI cornpresor semiherrnetico (figura 5.5) tiene una cubierta desmontable con tornillos, de manera que se Ie
puede dar servicio en el mismo lugar de trabajo,
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Compresores reciprocantes / 99
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DISPOSITIVOCENTRIFUGO
CONTRA EL GOLPETEO .
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TOMA INTEANA
DE SUCCION
DEVANADO DE ARRA~IOUE~
DEL MOTOR
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DEVANADOPRII~CIPAl
DEL MOTOR
CUBIERTA DEL
COMPRESOR
AISLAMIENTO~
NUCLEO DEL MOTOR (estator) ___
ROTOR
CIGUENAL
_
_
PIEZA PARA AMORTIGUACIONPASADOR DEL PISTON
PRINCIPAL
SOBRECARGAINTERNA
DEL MOTOR
INTERNO
VALVULA DE SUCCION
DE LENGUETA
PLATO DE VALVULAS:
DE LA CAMARA
DE SUCCION
CARTER
TUBO DE DESCARGA
SILEI;CIADOR DE LA SUCCION
CENTRIFUGADORDELACEITE-----
PLACA DE
EMPUJE
RANURASPARA
EL ACEITE
CABEZA DEL CILINDRO
Figura 5.4. Compresor reeiproeante del tipo herrnetieo. (Tecumseh Products Co.)
La ventaja principal de un compresor hermetico estriba en que, debido a que no tiene
un eje que sobresalga del carter, no presenta
problema alguno en cuanto a fugas del gas reo
frigerante. En el compresor abierto, se requiere un selJoen el eje, para evitar 0 hacer minima
la fuga del refrigerante entre el eje y el carter.
EI gas refrigerante de succion enfria el motor
del compresor de tipo hermetico. La potencia
(nominal) admisible de saiida de un motor disminuye a medida que aumenta la temperatura
de los embobinados del mismo, para evitar
el sobrecalentamiento. El gas frio de succion,
que fluye rapidamente sabre los embobiria-
dos, permite al motor tomar mas corriente, y
par tanto, transmitir mas fuerza de la que podria transmitir, si fuera enfriado solo por el aire
ambiente estatico, como sucede can un motor
abierto. EI resultado es que se puede utilizar un
motor de menor capacidad y menos costosocon
los cornpresores herrneticos. Sin embargo, al
agregar el calor del motor al gas de succion, se
tiene como resultado que la potencia requerida por este compresor sera un poco mayor que
la requerida por una maquina abierta.
Debido al ensamble sellado del compresor
con el motor, las unidades herrneticas tienen
por 10 cornun un nivel de ruido inferior al que
100 I Compresores
RESOAlE DE SEGURIDAD
DELCABEZAL DE DESCARGA
MONTAJE DE LA VALVULA
DE DESCARGADELCABEZAL
VALVULA DE
DESCARGA
VALVULADE SERVICIO
DE DESCARGA
VALVULA DE PARADADE LA SUCCION
PISTON
BOMBA DE
RECUPERACIQNDEL
ACEITE
VALVULA
COJINETEAN-
DE
SUCCIDN
BIELA
IENTOREMOVIBLE
DEL CILINDRO
LUMBRERA DE CDMPENSACION
COJINETESPRINCIPALES
POSTERIORES
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TAPONESMAGNETICOSDEL
ACEITE
ROTOR
CAMARA DE SEPARACION
SUMINISTRODE
ACEITE A LOS
COJINETES
COLADORESDE SUCCION
CALENTADORDE
ACEITE EN EL
CARTER
BOMBA DE PRESIONDE
ACEITE. INO SE MUESTAAN
LOSCIRCUITOSOE ACEITEA
LA VALVULA DE AliVIO 0 AL
DESCARGADOR)
PROTECTOR DE SONOA
PROFUNDA EN EL MOTOR
OE LA BOMSA DE
RECUPERACION PEL
ACEITE
--"'.JL"UllH
FILTAO DE ACEITE DE
PLENOFLUJO
VALVULADE CARGA Y
DRENAJEDEL ACEITE
'Nola del Editor: as! aparece en 16 obra original en ingles.
Figura 5.5." Compresor sernihermetico (desarmable).
Compresores reciprocantes I 101_tienen las unidades abiertas de capacidad
similar.
Los compresores herrneticos que utilizan corriente a 60 Hz, operan aproximadamente
a
1750 RPIVI (can motores de cuatro polos), 0
a 3500 RPM (con motores de dos polos).
A bajas temperaturas, (par debajo de O°F)·,
la densidad del gas de succion puede no ser
apropiada para enfriar unidades herrneticas,
y pucde ser necesario utilizar un ventilador.
Los compresores no se fabrican can un
rliserio herrnetico cuando se les va a utilizar
can amoniaco, debido a que este refrigerante
reacciona con los materiales del motor.
Salle del anillo rotatorto
Cara del anillo
Resorte de empuje
Lado de
presion del
refrigerante
Lado de
presion
atrnosferlca
5.6 Sellos de los compresores
En los compresores abiertos antiguos, disefiados para operar a bajas velocidades, un empa·
que suave alrededor del eje constituia un sella
apropiado para evitar fugas de gas. Los cornpresores modernos estan disefiados para ope·
rar a altas velocidades, de modo que se necesita
un com pres or mas pequefio para una capacidad dada, reduciendose los costas. EI empaque
suave se desgastaria rapidamente trabajando
en estas condiciones.
Los sellas meainicos se u tilizan en todos los
compresores modernos. La caracteristica esencial estriba en que dos superficies duras, una
estacionaria y la otra con movimiento de rotaci6n se ajustan apropiadamente para formar
un sella a prueba de fugas. El sella rotatorio
ti.ene un anillo de carbon fijo al eje; la superfiere frontal de este anillo se mantiene en contacto contra un anillo estacionario, mediante
un resorte (figura 5.6). Existen otros diserios
de sellos mecanicos, pero el sella rotatorio es
uno de los mas usados, debido a su bajo costo
y confiabil idad,
Figura 5.6. Sello rnecanlco rotatorio para un compresor.
I.
giieta 0 flexible. Consiste en una lamina delgada de acero flexible sujeta en un extremo 0
a la mitad, y por 10 cormin tiene la forma de
una lengiieta. La valvula consiste de una 0 mas
lengiietas que cubren los orificios en el plato
de valvulas (figura 5.7). El diferencial de pre·
sian obliga al extremo libre de la valvula a separarse del orificio. Cuando la presi6n no
actua, la lengiieta vuelve a su posicion normaL
A menudo, cuando se trata de u n com pre·
sor de mayor capacidad, se prefiere un tipo de
valvula mas resistente, llamado valvula de anillo, Esta valvula consiste en una placa en forOrtflclos
5.7 Valvulas
En los compresores reciprocantes de refrigeracion se utilizan dos tipos de valvulasde succion
y descarga. Uno de ellos el tipo de aleta, de len-
Valvula de lengliela
valvulae
Figura 5.7. Valvula de compresor, del tipo de
lengOeta.
102 I Compresores
..,....'.
Figura 5.8. Valvula de
compresor, del tipo de
placa en forma de anillo.
(The Trane Co., La Cros-
se, WI).
,
\
rna de anillo, la cual cubre los orificios del
plato de valvulas (figura 5.8). La valvula se mantiene en posicion contra la pJaca, mediante pequeries resortes,
En algunos diserios de compresores, se instala
un resorte duro entre la cabeza del compresor
y el conjunto de valvulas de descarga, para ayudar a proteger las valvulas contra los dafios que
causa Ja penetracion de liquido. Si este Iiquido
queda atrapado en el cilindro en la carrera d~
descarga, eI conjunto de valvulas se eleva y aligera la presion (figura 5.9).
5.8 Sistema de lubricacion
EI sistema de lubricacion del cornpresor puede ser del tipo de lubricacion par chapoteo,
de alimentacion forzada 0 de una cornbinacion
de ambos. En el tipo de chapoteo, la biela tiene una cucharilla en su extrema inferior, la
.. ;...
,' .:
. ,.
,
Figura 5.9. EI resorte de
seguridad del cabezal de
descarga alivia la presion
que ocasiona el Ilquido
atrapado. (The Trane Co.,
La Crosse, WI).
Cornpresoresreciprocantes 1 103
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I
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i
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I
I
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eual recoge aceite del carter y 10 salpica en las
superficies de desgaste. EI sistema de alimentaci6n forzada tiene una bomba de aceite que
obliga al aceite a desplazarse hacia los cojinetes a traves de orificios practicados en el
cigiieilal.
La mayoria de los compresores que utili,
zan alimentaci6n forzada emplean bombas
de aceite de desplazamiento positivo del tipo de engranes 0 alabes, accionadas por el
cigiienal. Una valvula de alivio, de resorte, instalada en la descarga de la bornba, se abre si
se presenta un exceso de presion, desviando
el aceite hacia el carter. Las bombas se disefian
par 10 corruin de manera que puedan funcionar en una u otra direcci6n de rotacion, pues·
to que los compresores con frecuencia pueden
ser operados en cualquiera de las dos direcciones. Algunos compresores hermeticos soldados, de poca capacidad, utilizan bombas
• centrifugas.
- EI aceite arrastrado por el refrigerante lu, brica las paredes del cilindro y circula a traves del sistema. A fin de que este aceite retorne
al carter, se provee al compresor de un conducto para el aceite, entre la succion y el car, ter. Can el fin de evitar una perdida de aceite
causada por una oleada subita proveniente del
carter cuando se pone en operacion el compresor, se coloca una valvula de retencion en el
conducto del aceite. (La causa de este problema se explica mas adelante).
En la linea de succion se coloca una malla
(filtro) para detener las pequeiias gotas de aceite y refrigerante, as! como las materias extrafias. Ocasionalmente se incorpora a la linea de
succion una carnara de separacion de gran des
dimensiorres, para que actue como una trampa de aceite, antes de que este regrese a traves
del conducto.
Generalmente se instalan valvulas de servicio en los puntas de succi6n y descarga, paTa
aislar al compresor cuando sea necesario darle manten imiento a repararlo. Estas valvulas,
son par 10 cormin del tipo de asiento posterior
(capitulo 11).
Figura 5.10. Ruptura de una biela como resu Itado
de la penetracion del liquido (The Trane Co., La
Crosse, WI).
5.9 Problemas relacionados con eX
refrigerante Iiquido y el aceire
Se debe tener m~cho cuidado a fin de evitar
que se introduzca un exceso de refrigerante en
los compresores reciprocantes. Los llquidos
son incompresibles, y si una cantidad considerable de un liquido queda atrapada en eI cilindro al final de Ia carrera de descarga, la
presion que se origina puede romper las valvulas y hasta la biela (figura 5.10).
Un problema relacionado can el anterior,
es la diluci6n excesiva del aceite de lubricaci6n
por el refrigerante. Esto puede dar como resultado una lubricacion ineficaz, y consecuenternente el rapido desgaste de los cojinetes a
del piston y los cilindros (fig. 5.11).
Figura 5.11. Danos en el piston debidos a la falta
de lubricacion. (The Trane Co., La Crosse, WI).
104-/ Compresores
Los compresores modernos poseen nurnerosos dispositivos para reducir la frecuencia de
este tipo de problemas, y para proteger al compresor si se presentan. Tarnbien deben llevarse a cabo ciertos procedimientos de operaci6n
para disminuir la posibilidad de que sucedan
estos casas. Los sistemas de tuber ias de reo
frigeracion deben disefiarse e instalarse de rnanera que impidan al refrigerante liquido entrar
al compresor, y tarnbien que mejore el retorno
del aceite al carter. Los problemas relacionados
con los sistemas de tuberias y el retorno del
aceite se tratan en el capitulo 11.
Cuando el refrigerante liquido procedente
del evaporador entra al compresor en forma
continua durante la operacion, se presenta una
situaci6n Hamada escurrimiento 0flujo de retorno.
Cuando grandes cantidades de liquido entran
repentinamente al compresor durante un breve
periodo, la situaci6n se conoce como penetracion.
Esta penetraci6n del liquido tiende a presentarse
cuando la carga cambia repentinamente, 0 al
arrancar el compresor. EI escurrimiento tiende
a causar dilucion del aceite, y un subsiguiente
desgaste excesivo en ciertas partes del compresor. EI golpeteo, que es conseeuencia de la
penetracion, tambien dana algunas partes del
compresor. Mas adelante se analizaran ambas
situaciones.
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"",\""Migracion del refrigerante. Este terrnino se reo
fiere a Ia migracion del vapor del refrigerante,
desde el evaporador al carter del aeeite. Cuando
se para el sistema, la presi6n del vapor del refrigerante contenido en el evaporador, 10 con';. duce hacia el carter. La mayor parte de los
i
refrigerantes son solubles en aceite y cuando
el refrigerante llega al carter y se disuelve en el
aceite, esto haeer que se reduzca la presion del
vapor en el carter, 10 que causa a su vez una
mayor diferencia de la presion, aumentando
aiin mas la migracion.
Cuando el eompresor arranca, la presion en
el carter (presion de succion) disminuye repen·
tinamente. La caida de la presi6n hace que el
refrigerante hierva rapidamente, separandose
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del aceite. Las burbujas que se originan dan
lugar a la forrnacion de una espuma 0 a la
agitaci6n del aceite y del refrigerante liqu ido,
aumentando rnomentaneamente su volumen.
Esto ocasiona la penetracion de liquido al cilindro durante el arranque, dando lugar al
golpeteo, con los consiguientes dafios. Aun en
el caso de que esto no suceda, la perdida de
aceite del carter 0 el vapor espumante, pueden
reducir eonsiderablemente Ia alimentaci6n a
la bomba, oeasionando una lubricaci6n insufieiente.
Ya se describio c6mo la valvula de retenci6n, eolocada en el condueto de retorno del
aceite, se utiliza para reducir la oleada de aceite que pudiera entrar al eompresor por el conducto de succion. Para reducir la migracion
del refrigerante, se utiliza un calentador en
el carter. La temperatura del aceite se man tiene bastante elevada, para evaporar y alejar
cualquier cantidad de refrigerante en migraci6n. El calentador es un elemento electrico de
calefacci6n, instalado en el carter de los compresores de gran eapacidad. En las pequerias
unidades herrneticas, el elemento se sujeta por
fuera, alrededor del casco.Se debe tener cuidado de que la temperatura del aeeite no sea excesiva y tenga lugar la carbonizacion (capitulo
9), 10 eual disminuye la calidad lubricante del
aceite.
La penetraci6n del refrigerante en forma de
liquido puede tener lugar directamente del
evaporador al eompresor. Esto puede oeurrir
durante el arranque, cuando se acumula una
cantidad considerable de liquido en el evapo·
rador, mientras permaneee inactivo el sistema.
Puede asimismo ocurrir en el caso en que el
eompresor haya estado trabajando sin carga,
debido a que los serpentines se hayan estado
deseongelando, de 10 cual resulta 1aacurnulacion de refrigerante liquido en el evaporador.
Ya se discutio con anterioridad el empleo
de la malla de succi6n en el compresor, para
reducir el flujo de liquido al mismo. A veces
se utiliza por separado una trampa para ellfquido, Hamada acumulador de succum, la cual se
I
"
Compresores reciprocantes 1·105
instala en la linea de succion, especial mente
con las bombas de calor (ver capitulo 11).
Hay medios y dispositivos adicionales que
se urilizan para obtener proteccion contra la
penetracion del liquido en el arranque. Por
ejemplo, el refrigerante puede bombearse pa· .
ra hacerlo salir del evaporador, al interrurnpirse la operacion del sistema. Esto se conoce
como el ciclo de vaciado (capitulo 16).
Ademas de los problemas que ya se trataron,
puede presentarse el escurrimiento del refrigerante procedente del evaporador, como
resultado de un diseiio e instalacion inadecuados. Por ejemplo, el sistema puede estar cargado con un exceso de refrigerante, 0 la valvula
de expansion terrnostatica puede ser del tipo
incorrecto, 0 puede estar mal instalada (ver el
capitulo 8, en el cual se trata este problema).
5.1QAccesorios
Junto con el compresor, generalmente se ofrecen algunos accesorios para ser utilizados cuando sea necesario, los cuales se instalan por
separado. Entre estos accesorios se encuentran:
Silenciadores. Se utilizan en las Iineas de succion
o descarga para disminuir e1ruido que producen las pulsaciones del gas. En el caso de las
pequeiias unidades hermetic as, invariablemente son parte integral de las mismas.
Marurmetros para medir Lapresion de succuin, descarga y del aceite. Se utilizan para comprobar el
funcionamiento.
Resortes aisladores de La uibracum, EI compresor
va montado en resortes, para disminuir la
transmision de las vibraciones al edificio 0 al
sistema de tuberias. En las pequefias unidades
hermeticas, el conjunto de motor y compresor
va montado en resortes fijos ai interior del
casco.
Con frecuencia, los fabricantes suministran
el compresor como una unidad dotada de
motor, dispositivo de arranque, y controles
electricos, montados y alarnbrados, si as] se
desea.
5.11 Control de la capacidad
Generalmente se selecciona un compresor cuya capacidad de desplazamiento sea adecuada
para manejar Ia maxima carga de refrigeracion
de un sistema. En la mayorfa de las aplicaciones, la carga flucnia y el sistema trabaja con
una carga parcial la mayor parte del tiernpo.
Por ejemplo, en la refrigeracion comercial, la
carga es muy elevada cuando se esta enfr iando una nueva remesa de productos alimeriticios calientes, pero es menor una vez que estos
productos ya estan frios. Por 10 comun se requiere algtin metoda de control de la capacidad del compresor, cuando hay una variaci6n
en la carga del sistema, pOT las razones que se
tratan a continuacion,
Cuando la carga disminuye, el dispositive
de control de flujo del evaporador reduce el
flujo masico del refr igerante. Sin embargo,
siendo el compresor mismo un dispositivo de
desplazamiento constante, bombea un volumen
constante de gas. Al entrar a la succion un~
cantidad menor de masa de gas, bajan su pre-\
sion y temperatura. La temperatura del espacio \
o producto puede entonces descender hasta ni- /
veles inaceptables,
En algunas situaciones, la caida de 1:1.presion de succion puede dar par resultado que
la temperatura de evaporacion descienda, involuntariamente, por debajo de 32°F, y que se
forme hielo en el serpentin de enfriamiento
por aire. Esto disminuye la transferencia de calor, 10 cual causa una caida adicional de la temperatura de evaporacicn y de la presion de
succion. En un enfriador de agua, esta puede
congelarse y dafiar el equipo.
Pueden presentarse otros dos problemas
cuando se trabaja a carga parcial, como resultado de la reduccion de la cantidad de flujo del
refrigerante. Estos son:
106 ,. Compresores
1. Puede no haber suficiente flujo de refrigerante para enfriar de manera adecuada el
motor de una unidad herrnetica, y este pue·
de sobrecalentarse,
2. La reducida velocidad del refrigerante puede no ser adecuada para hacer retornar el
aceite al compresor, con la consiguiente
perdida de lubricacion.
cia, puede ser considerada como una variaci6n
del control de arrancar-parar.
La serial de control autornatico del compresor puede proceder directamente de un control
de la presion de succi6n 0 de un termostato de
ambiente. Esto se aplica al control de arrancarparar, asi como a los dernas rnetodos de control
de capacidad.
Estos problemas deben tenerse en cuenta al
comparar diferentes metodos para controJar
la capacidad del compresor. Un rnetodo puede
ser superior a otro para evitar estos problemas,
dependiendo de su aplicacion. Asimismo, algunos rnetodos de control de la capacidad dan
por resultado una utilizacion reducida de energia, al operar a carga parcial. Sin embargo, no
sucede as, con otros metodos.
Todos los metodos de control de la cap acidad del compresor funcionan mediante 1~
reducci6n de la cantidad del refrigerante comprimido entregado al condensador. Por 10 tanto, el evaporador dispone de menos liquido,
y se reduce Ia capacidad del sistema. Se dispone de cuatr.o metodos para controlar Ia capacidad del compresor reciprocante.
Variacion de la velocidad. Esto se refiere a la
practica de cambiar la velocidad del com presor de acuerdo con la carga. Desde luego, el
desplazamiento del compresor varia directamente con la velocidad. Resulta conveniente
utilizar un motor para accionar el compresor.
Se puede utiIizar un motor electrico de dos
velocidades, pero esto aumenta e1 costo del motor y 50]0 proporciona una reduccion de la
capacidad, Esta es una de las razones por las
cuales no se utiliza con frecuencia la reduccion
de la velocidad. Sin embargo, en la actualidad
se dispone de los modernos controles de estado solido, 10 que ha propiciado que vaya en
aumento la utilizacion del control de la capacidad del compresoT mediante la variaci6n de
la velocidad. En los capitulos 15 y 16 se discute el control de la velocidad del motor.
Una ventaja importante de Ia variacion de
la velocidad, estriba en que la demanda de potencia disrninuye considerablemente asi como
la capacidad, cuando se reduce la velocidad,
L
2.
3.
4.
i.~~
~:':".
'.
:..: ....
Control de arran car y parar.
Variacion de 1a velocidad.
Descarga de cilindros.
Desviacion del gas caliente.
Control de arrancar yparar. Esta denominaci6n
se refiere a Ia practica simple de arrancar 0
parar el compresor, segun sea necesario. Este
metodo puede ser satisfactorio cuando se trata de compresores pequerios, y cuando la carga
parcial no es ni muy ligera ni muy frecuente.
Cuando las cargas ligeras son frecuentes, puede presentarse un ciclaje corto, 0 sea que los
cidos del compres or se suceden con dernaaiada frecuencia. Esta condici6n acorta la vida del
compresor, motor y dispositivo de arranque.
Si un sistema es ]0 bastante grande como pa·
ra tener muchos compresores, Ia operacion de
un mimero menor de compresores, en secuen-
Descarga de cilindros. Este es el metodo mas ampliamente utilizado para controlar la capacidad
de los compresores reciprocantes de cilindros
multiples. La operacion de uno 0 mas cilindros se controla de manera que el vapor refrigerante no sea comprimido y expulsado de los
cilindros no cargados para llevarlo al con densador, aunque los pistones contimien realizando su movirniento. Esto reduce Ia cantidad de
refrigerante liquido que va al evaporador, reduciendo asi la capacidad del compresor.
La descarga de un cilindro puede lograrse
manteniendo abierta la valvula de succion,
o mediante el uso de un paso 0 conducto de
Compresores reciprocantes I 107
.... ,~.
la descarga a 1a camara de succion en el cornpresor, eI eual desvia el paso normal a traves
de las valvulas y la linea de descarga. Tanto en
un caso como en el otro, eI gas de succi6n no
se eomprirne, sino que se Ie hace circular en
la carnara de succion 0 a traves de pases de
desvio.
Cornunmente se utilizan dos tipos de dispositivos para mantener abierta Ia valvula de suecion 0 abrir el paso de desvio. Uno de ellos
tiene una valvula de solenoide que opera las
partes mecanicas. EI conjunto es parte integral
de la eabeza del compresor. El otro tipo es un
sistema hidraulico en el cual se utiliza la pre·
sion del aceite para abrir las valvulas. Existen
diferencias entre los fabrieantes, en cuanto a
la construccion fisica de los componentes del
mecanisme de descarga. Dos de estos mecanismos se explican en la siguiente discus ion. En
todos ]05 tipos, los dispositivos de descarga
pueden ser operados por termostatos 0 controles de presion, ya sean electricos 0 neumaticos.
La figura 5.12 ilustra la disposicion de un
descargador del tipo hidraulico que funciona
manteniendo abierta la valvula de succion de
o
VALVULA DE
SUCCION
TERMOSTATO'
.-
un cilindro que se va a descargar. Cuando el
compresor esta operando, se alimenta a ce ite
a presion a la valvula de solenoide de tres vias,
desde la bomba de aceite de lubricaciori del
compresor. Los orificios de salida de la valvula de solenoide estan conectados al cilind ro A
de descarga, 0 a un conducto de retorno a la
bomba de aceite.
Normalmente, Ia valvula de solenoide se
encuentra desenergizada, Si el tennostato demanda enfriarniento, el solenoide recibe e ner- !
gia, y la valvula se mueve para cerrar el orificio
de retorno y abrir el orificio de descarga, co- _j
rno se muestra en la figura 5.12(a). La presion'
del aceite se ejerce ahora sobre el cilindro A
de descarga. Esto obliga al piston de descarga
y a su espiga B a bajar y alejarse de la valvula
de succi6n. La valvula puede ahora abrir se y
cerrarse segun la manera normal de operacion.
EI cilindro esta cargado.
Cuando el terrnostato ya no demanda enfriamiento, Ie retira la energia a la valvula de
solenoide, y su mecanisme se mueve para abrir
el orificio de retorno, como se muestra en la
figura 5.12(b). Esto aligera la presion del aceite en el cilindro de descarga, y el resorte del
o
TERMOSTATO
,,
,,
I
,
o._
VALVULA DE
SELENOIDE
a)
Figura 5.12. Control de la eapaeidad del compresor
mediante un descargador, el eual opera eon presion
hidraulica para mantener abierta la valvula de suc-
.,'
bJ
cion. a) Operacion con carga. b) Operacion sin carga, se mantiene abierta la valvula de sueci6n. (The
Trane Co., La Crosse, WI).
108 I Compresores
pist6n de descarga obliga al vastago a cmpujar la valvula de succi6n, rnanteniendola separada de su asiento. EI cilindro ahora esta
descargado.
Esta disposici6n proporciona un arranque
sin carga, puesto que se requiere la presion del
aceite para poder cargar, y no se dispone de
la misma durante un breve periodo despues
del arranque del compresor. Esto significa que
no se requiere un par de arranque mayor, y
por 10 tanto, tampoco un motor mas costoso.
Adernas, la demanda de la potencia de arranque resulta menor. Puesto que la potencia de
arranque de un motor bajo carga es mucho mayor que la potencia de arranque sin carga, como cuando el compresor esta en operacion
(ver capitulo 15), esto puede reducir el gasto
por concepto de consumo de energia electrica.
Las cornpanias de servicio al publico exigen al
consumidor un pago adicional, proporcional
al consumo pico de energia. En la figura 5.13
se muestra un descargador del tipo mecanico,
operado directamente por una valvula de solenoide. EI conjunto es parte integral de la
cabeza del compresor. Es preciso observar los
orificios de c1escargaque perrniten el paso del
cilindro de cornpresion al multiple de succi6n.
Mediante una serialprocedente del controlador,
se energiza la valvula de solenoide, abriendo el
orificio de alta presion. Esto perrnite el paso desde el multiple de descarga del compresor, a traves de la valvula de solenoide, hasta el piston del
cilindro de descarga, como se muestra en la figura 5_13(a). EI gas a alta presion obliga al piston del descargador a bajar, apoyandose en la
placa de cierre y cerrando los orificios de descarga. Esto permite la operacion del cilindro del
compresor en condiciones norrnales de carga.
Cuando el controlador (por ejemplo el termostato 0 el control de presion de succion) esta
EMBOLO DEL
SOLENOIDE
CABEZA DEL CILINDRO
CONDUCTO
DE ALTA
PRESION
RESORTES DE
FUERZA
CAMARA
DEL
PISTON
DEL DESCARGADOR
PLATO DE
VALVULAS
ORIFICIOS DE.
DESCARGA
eARGADO
OESCAAGADO
a)
b)
Figura 5.13_Control de la capacidad del eompresor mediante un deseargador, el eual opera eon un
solenoide elactrico para desviar el gas de descarqa a la succi6n. a} cilindro cargado. Los orificios de
descarga estan cerrados. b) eilindro descargado.
Los orificios de desearga estan abiertos. (Cortesia
de Dunham-Bush, Inc.)
Compresores reciprocantes I 109
el solenoide, y su val
vula se mueve para cerrar el orificio de alta
presion, y abrir el orificio hacia el multiple de
succion, como se ve,en la figura 5.13 (b). Puesto que ahora solo se ejerce una baja presion
de succion en la parte superior del cilindro de
descarga, los resortes del descargador empujan hacia arriba la placa de cierre y se abren
los orificios de descarga. El gas de succion no
se eomprime y el cilindro se descarga.
En este tipo de descargador, los solenoides
se encuentran desenergizados al arran car, yentonees el com presor puede arran car en vacio
durante un tiempo suficiente para reducir el
par de arranque.
Los descargadores y sus controladores pueden
ordenarse para que descarguen uno 0 mas cilindros con una secueneia, de acuerdo con las
necesidades y el mirnero de eilindros del compresoT. Se debe tener cuidado de no reducir la
capacidad hasta el punto en que el flujo del
refrigerante a traves del sistema sea inadecuado
para el enfriamiento del motor del compresor
hermetico, 0 para el retorno del aceite. Cuando
se requieren capacidades muy bajas, puede utilizarse la desviacion del gas caliente.
El control de la descarga da por resultado
aproximadamente un 35 por ciento de reduccion en la u tilizacion de la energia, correspondiente a un 50 por ciento de reduccion de la
capacidad de refrigeracion. El motivo por el.
satisfecho, se desenergiza
cuallos porcentajes de reduccion no son iguales, es que se requiere cierta potencia para
superar la friccion y la turbulencia en lOISci!indros inactivos.
La descarga tarnbien puede lograrse cerrando el paso del gas de succion, mediante una
valvula de control en la linea de succion, Puesto que no se recircula ningun gas de succion
en el compresor, se pretende que este met.odo
ahorre aun mas en energla cuando se opera
con cargas parciales, que con los metodos descritos anteriormente.
Desuiacion del gas caliente. Esta expresion se refie-
re a la desviacion de la descarga del gas caliente
del compresor alrededor del condensador. Esto irnpide que la presion de succion descienda
por debajo de un valor preestablecido.
La desviacion del gas caliente se puede hacer hacia la entrada del evaporador, 0 a la Iinea de succion. En la figura 5.14 se muestra
una distribucion correspondiente al primer
caso. Una valvula de desviacion del gas caliente
se abre, respondiendo a la disminucion
de
presion de succion. Puede utilizarse una valvula reguladora, de manera que se desvie justarnente la cantidad de gas caliente, para
mantener una presion constante de succi6n.
(La valvula de solenoide que se muestra en la
figura se utiliza en el sistema de reduccion de
presion, el cual se tratara mas adelante).
Valvula de
Condensador 1----1
t
Valvula de solenoide
Valvula de desviacion
de la linea del gas caliente
del gas caliente
(normalmenle cerrada)
Linea de succlon
Compresor
Figura 5.14. Control de la capacidad mediante la desviacion del gas caliente hacia la
entrada del evaporador.
110'1 Compresores
se desvia gas caliente hacia la entrada del evaporador, la valvula de expansion
terruosuitica que al irnenta refrigerante al evaporador responde a su control, alimentando
mas refrigerante (capitulo 8). La cantidad de
flujo y la temperatura de succion del refrigerante permanecen, por 10 tanto, relativarnente
constantes. EI retorno elel aceite se mantiene,
y no tiene lugar el sobrecalentamiento elel cornpresor. Debielo a que el com presor siem pre
debe comprimir la cantidad total del gas, la deruanda de paten cia permanece elevada, aun a
cargas bajas.
Si el evaporador se encuentra muy alejado
del condensador, 0 si el sistema tiene evaporadores multiples, el desvio hacia la entrada ele
cada evaporador ser ia mlly Cost050, debido a
la longitud de Ja tuberia, y a la cantidad necesaria de valvulas, En esta situacion, se utiliza
la desviaci6n hacia la linea de succi6n; pero esto puede ocasionar el sobrecalentarniento del
compresor. Esto se evita alimentando una pequeria cantidad de refrigerante liquido a la li-
nea de succi6n cuando sea necesario, a traves
de una valvula de expansion que disminuye el
sobrecalentamiento (Figura 5.15).
La desviaci6n del gas caliente se utiliza asimismo cuando es necesario arrancar el compresor en una condici6n de descarga. Esto
reduce el par motor necesario para el arranque, asi como la corriente de entrada. Se utiliza a menudo en los compresores ele arno-
Cuando
n iaco.
5.12 Controles y dispositivos de
seguridad
Los cornpresores pueden estar provistos de un
cierto nurnero de controles y dispositivos de
seguridad:
Los interruptores de seguridad de alta y baia presion 'detienen aJ compresor cuando hay baja
presi6n de succion 0 alta presion de descarga.
Con frecuencia se combinan los dos en un
solo dispositivo.
Evaporador 1 1-----,
Valvulas de
solenoide en
la linea del
t .----<
liquido
Linea del
hquido ,
Condensador 1-----1 Receptor I--~...--_'_------{
~
;.,.0·
~--(H
t
Evaporador 3
N.C.
-?Valvula de
Valvula de
solenoide de la
solenoide de ta
linea del gas
caliente
Valvula de expansion para
ellrnlnar el sobrecalentamiento
N.C.
Valvula de desvtaclon
del gas caliente'
-e-Compresor
Will':
I
Acumulador de la
linea de succi6n
Figura 5.15. Control de !a capacidad mediante la
desviacion del gas caliente hacla la linea de sue-
Linea de succi6n (normalmente cerrada)
cion y a la valvula de expansion para eliminar el sobrecalentamiento.
Comnresores reciprocantess I 111
Un control de seguridad
de la presion del aceite
detiene al compresor, cuando el diferencial de
la presion de la bomba de aceite disminuye par
debajo de un valor que no es seguro.
La valvula de alivio de la presion del refrigerante se abre cuando se presenta una presion excesiva de descarga, con el fin de desviar el
refrigerante a la carnara de succion,
El termostato de la temperatura de descarga detiene
al compresor, al presentarse una temperatura
excesiva de descarga del refrigerante.
5.13 Desplazamiento y eficiencia
volumetrica de los compresores
El desplazamiento de un compresor es el uolumen barrido por los pistones. POT 10 comun se
expresa por tinidad de tiempo, como PCM
Volumen libre
o
o
a)
b)
Figura 5.16. Volumen de tolerancia en un com presor reeiprocante. a) EI piston al final de la carrera
de succion. EI cilindro esta totalmente lIeno de gas.
b) EI piston al final de la carrera de descarga. No
se descarga una porcion del gas, la eual permanece en el volumen de tolerancia.
(pic3/min)
En el capitulo 4 se mostro la manera de deterrninar la cantidad requerida de flujo volumetrico del gas refrigerante a la entrada de
succion del compresor, el cual debe hacerse
circular para una capacidad dada de un sisterna de refrigeracion. Esto se conoce como el
desplazamiento teorico (V J, 0 capacidad del cornpresor. Esto es, la capacidad requerida del
compresor es igual ala capacidad del sistema.
EI desplazamiento real de un compresor debe
ser, sin embargo, mayor que el valor teorico,
por varios motivos.
A fin de evitar que eI piston golpee el plato
de valvula se debe proveer un uolumen de tolerancia en el extremo de la carrera de compre·
sion del piston. El disefio de fabricacion exige
que as! sea, dando lugar a un desgaste razonable de los cojinetes, 10 cual alarga efectivamente la vida de las partes. EI volumen de
tolerancia se muestra en la figura 5.16.
EI efecto de volumen de tolerancia es que
no se descarga una pequefia cantidad de gas
en el cilindro, sino que permanece en el mismo
al terrnino de la carrera de cornpresion. Este
gas se expande nuevamente en la siguiente carrera de succion, y ocupa un espacio en el volumen del cilindro. El resultado es que se
aspira menor eantidad de gas de succiori en
cada carrera, que el que se aspiraria si no estuviera presente el gas remanente. Por 10 tanto,
el desplazamiento volumetrico del compresor
debe ser mayor que el volumen del gas que se
pretende aspirar,
Tarnbien se tiene un espacio entre el fondo
y la parte superior del conjunto de valvulas, en
donde permanece un poco de gas; esto aurnenta el volumen de tolerancia.
Otros factores causan una reduccion en la
capacidad del eompresor. La caida de presion
a traves de las valvulas (llamada estrangulacumy
disminuye 1a eantidad de gas que se aspira
se descarga. El gas se fuga alrededor de las valvulas, 0 por el piston. El refrigerante se sepa·
fa del aceite por evaporacion ocupando un
espacio que, de otra manera se lIenaria con el
nuevo gas de succi6n. Las paredes del cilindro
ealientan este gas, aumentando as! su volumen
especifico, de manera que se bombea una masa
men or. Al efecto de la combinacion de todas
°
112 / Compresores
estas perdidas se Ie llama eficiencia volumetrica (Ev)' Se define mediante la ecuaci6n:
VI
E"
V
x 100
(5.1 )
,
~i~l:
, .:
La eficiencia volurnetrica se determina mediante la prueba real de los compresores. La
figura 5.17 muestra algunos val ores tipicos, en
las condiciones que se indican, correspondientes
a diferentes relaciones de cornpresion. Tomando
la eficiencia volurnetrica yel desplazamiento
teorico, e1 desplazamiento del compresor puede determinarse mediante la ecuaci6n 5.1.
La relacion de compresuni se define como la relacuin. entre Lapresion de descarga y la presion
de succum en condicionessaturadas, y expresadas
en unidades absolutas, como lblpulg. 2 abs.
·t· ;
ESlO
es,
RC
. ;:~.
=
(5.2)
en donde
RC
P"
='
P,
»:
E.R.
AI sustituir el valor de m en la prirnera
relaci6n de cornpresion
presi6n saturada de clescarga en Ibl
pulg2 abs
presion saturada de succi6n en Ibl
pulg2 abs.
vxQe
E.R.
=
=
desplazarniento teorico en PCM
volumen especifico del refrigerante en
la succi6n del compresor, en p:1llb
capacidad de refrigeraci6n en Btul
min
E.R. = efecto de refr igeracion en Btullb
EI siguiente ejemplo ilustra como deterrninar el desplazamiento requerido del compre·
sor, correspondiente
a una aplicacion dada.
Ejemplo 5.1 Un sistema de refrigeracion que u ti-
liza refrigerante R·502, opera con una temperatura de evaporaci6n de 20°F, y una temperatura
de condensaci6n de 105°F. La capacidad reo
querida del sistema es igual a 45 toneladas. Si
se supone que se utiliza un compresor cuya
eficiencia volurnetrica aparece en la figura
5.16, determinar el desplazamiento requerido
del compresor. Suponer las condiciones de un
cicIo ideal, excepto que el gas de succion esta
sobrecalentado hasta 65°F.
Solucion Se determina primero la eficiencia
volurnetrica,
y luego se ca1cula el desplazamiento del compresor utilizando la ecuaci6n 5.2. Se utiliza la tabla de saturacion
para el refrigerante
R·502, y se tiene que'
67.2 lb/pulg ' abs (20°F)
246.4 Ib/pulg2 abs (105°F)
y el flujo masico requerido
del refrigerante
es
(5.3)
en donde:
En el capitulo 4, se hallo que el desplazamiento te6rico (f1ujo volurnetrico de refrigerante requerido en la succi6n del eompresor)
es igual a
igual a
ecua-
lar VI
por ciento de eficiencia volumetrica
desplazamiento te6rico del compresor
desplazamiento real del compresor
..
='
ci6n, se obtiene una util expresion para calcu-
en donde
.
m
RC
246.4
67.2
3.67
Compresores reciprocantes
del cilindro) y de la carrera, del rnimero de ciIindros y la velocidad. Se determina mediante
la siguiente ecuacion:
Se tiene de la figura 5.17 que
Ell == 71 por ciento
vx~
40.7 Btullb
154.8 x 100
V = desplazamiento del compn;sor en PCM
= diametro del piston (diametro interior
del cilindro) en pulg.
L = carrera del piston en pulg.
N = nurnero de cilindros
rpm = velocidad en revoluciones por minuto
71
=
218.0 PCM
Ejemplo 5.2 Determinar el desplazamien to de
un compresor de cuatro cilindros que funciona
a 1750 rpm. Los cilindros tienen un diametro
interior de 3 pulg y la carrera es de 2.5 pulg.
5.14 EI desplazamiento y las
especificaciones del compresor
Solucum Se utiliza la ecuaci6n 5A, y se
tiene que:
El desplazamiento de un compresor es una funcion del diametro del piston (diarnetro interior
----.~
r-...
90
'U
0
Q.
rn
80
Q
"i:
.;u
E
~
::J
0
>
co
'13
c
70
...._ -
__ r-._
Eficiencia volurnetrtca debida
aJ espacio libre
W
--.t--
I"--I"--
-
+-
t-- t-
r=::::: ~
I" f:::::::t:-
Eficiencia volumetrlca lotal
)'..:::
.0>
:§
60
~
t-- ,_
r-.:t::::: t:-- ~densacion
a 98°~
i-...J
I
I
I
Condensaci6n a 105 D F
50
2
(5A)
D
-----
0
L x N x rpm
en donde
0.7 pie3lb x 45 t x 200 Btu/min por t
Se utiliza la ecuacion 5.1 para obtener el desplazamiento del compresor:
C
Q)
X
4 x 1728
== 154.8 PCM
100
x D2
7f
1'=-----------=--
E.R.
==
J 113
3
4
5
6
7
Relaci6n de cornpreslon
Figura 5.17. Curvas tipicas de la eficiencia volumetrica del compresor; 3.8 por ciento de volumen de
lolerancia y temperatura del gas de 65°F.
8
9
10
."'..i~
•:.
11
114 I Compresores
'·1
.: !
V=
=
V
7r X
D2
X
L
x N x rpm
4 x 1728
7f
== 32 x 2.5 x 4 x 1750
4 x 1728
= 71.5 peM
5.15 La capacidad nominal del
compresor y sn seleccion
~.: -.
'-.",
Si bien los procedimientos descritos en las dos
iiltimas secciones pueden utilizarse para seleccionar un compresor de la capacidad apropiada para una aplicacion dada, por 10 cormin no
se procede de esta manera. Debido a que hay
diferentes combinaciones posibles de las dimensiones de los compresores, eficiencias
volurnetricas y otras variables, estos procedimientos consumen mucho tiempo y po siblemente no se obtienen las selecciones mas
economicas, Sin embargo, el motivo por el cual
se han tratado estos concept<?s,es que facilitan la cornprension del funcionamiento del
compresor, y como le afectan las condiciones
cambiantes; esto constituye un tema que se tratara ampliamente.
Los fabricantes generalmente presentan los
datos del funcionamiento (capacidades) de sus
compresores en tal forma, que hacen relativamente simple la seleccion del mismo. La tabla
5.1 representa un ejemplo de dichas tablas de
capacidades nominales. Estos datos se derivan
de pruebas reales de los compresores.
La tabla indica la capacidad del compresor
en toneladas de refrigeraci6n. Esto represen·
ta, desde luego, la capacidad de enfriamiento
del sistema. Para una capacidad requerida, el
compresor seleccionado correctamente, tendra
un desplazarniento adecuado. La potencia al
freno es la potencia necesaria para mover el
compresor.
Es necesario aclarar algunos puntos con respecto a la utilizacion de estas tablas.
1. Se necesita una tabla por separado para
cada refrigerante, pues el funcionamiento
varia segun el refrigerante que se utilice.
2. Cada tabla se aplica a una sola velocidad del
compresor, puesto que el funcionamiento
cambia con la velocidad. Esta tabla corresponde a una velocidad de 1750 rpm.
3. Las capacidades se indican de acuerdo con
la temperatura saturada de succion (TSS)
y la temperatura saturada de descarga (TSD).La
temperatura saturada de succion es la ternperatura de saturacion correspondiente a
la presion a la entrada de succion al compresor; no es la temperatura real de succion
del gas. La temperatura saturada de descarga tiene el mismo significado con referencia
a la desearga del compresor.
Estas ternperaturas serian, desde luego, diferentes de las ternperaturas de evaporacion
y condensacion, teniendo en cuenta la caida
de presion en lasIineas de succion y descarga.
4. Si bien las capacidades se basan en las ternperaturas saturadas de succion y descarga,
en el caso de los refrigerantes R-12 y R-502
la capacidad del compresor se corrige para
que corresponda a la temperatura real de
succion (de retorno) del gas. Los factores
de correccion que corresponden al R-12 se
muestran en la tabla 5.2. La temperatura del
gas de succion se toma en el punto en que
sale del espacio limitado. Cualquier aurnento adicional en la temperatura, fuera de este espacio lirnitado, nada contribuye a la
capacidad de enfriamiento.
5. El subenfriamiento aumenta la capacidad
de refrigeracion. Las correcciones correspondientes a la cantidad de subenfriamiento se muestran en la tabla 5.3.
.
Ejemplo 5.3 Seleccionar un compresor que opere a 1750 rpm y que utilice refrigerante R·12,
para una capacidad de 14.5 torieladas. Las
ternperaturas saturadas de succion y descarga,
son de 20°F y 115°F respectivamente. La tern-
Compresores reciprocantes , 115
Tabla 5.1 Capacidades nominales de los compresores, utilizando refrigerante R-12 a 1750 rpm
2070HN
25BOHN
TSO =< Temperaturasaturada de descarga,
115'
95
TSS
1(1};-
0
125
TSO "" Temperatura saturada de descarga, OF
of
135
0
95
0
lOS·
0
O·
5·
10·
15"
106
118
134
149
20°
25·
3D·
.:35.~'
14.1
97 14.7
88
15.6 110 16.5: 100
17.1 -.,24:'18.0: 113
18.6: 139 19:5 ""29
170 19.5 : 158
191 21.3'.178
216 22.5 . 203
242 23.4 230
45° 302 24.9 283
50· 333 25.5 ·312
55° 366 25.8 : 340
15.9
17.4
79
92
16.5
18.3
_1~.~__JQZ._:2Q.:_! ...
72
82
96
108"
20.7
118
22.2
23.7
25.2
26.4
236
26.7 263
27.3 288
33.6: 319
27.6
28.5
29.4
30.3
134 23.4 123 24.6
151 24.9. 139 26,1
172 26.4.,' 158 27.9
1~_5. ?!.c.V 178 28.8
219 29.1 " 201 30.9'
243 30.3 ,224 32.1 ;
271 31.2 . 247 33.3
296 32.1 ! 273 33.9'
21.3
16.2; 110 17.4 100 18.3
90
18.3 12_4 19.2 116 20.1 106
}_~.:~.,.,J41_'Q}.._.13L ..2L9..._J_2' ..
21.0' 160' 21,6 149 23.7 137
19.5 82
21.3
96
23..:1-._1]0..
24.9 ,127
20.4
22.5
24.6
26.4
196
219
247
278
22.2 i 183
23.4 .206
24.6 : 232
25.5 : 261
23.7
25.2
26.4
27.6
26.7 144
28.5 168
30.0.. ,191
'31.2 ;216
28.8
30.3
31.8
33.3
309
345
384
422
26.1!291
26.7 324
27.0 · 360
27.3 : 367
28.5 ; 275
29.1 : 306
29.7 \; 340
30.0 376
17.7' 118
19.5 137
21.3 151
2301 Wi
147
164
188
211
21.0:
22.2,
23.7
24.9,
40· 271 24.3 . 254 258.
i
3090HN
TSS~ 95·
105·
~
115·
MBH HP!, MSH HP 'MSH
D·
5°
W
15·
134 17.1 124 18.6: 113
151 19.2! 141 20.7,129
172 2.1.0.L160 . 22.8_i141__
Hh·-23.·'! 180 24:9 : 168
125
135°
0
95°
!
105
115·
0
20.1 103 21.6
93 22.8 155 20.1 '144 21.6; 134
21.3 118 23.7 108 25.2,178
222
16;i"",,24.0.155
24.3- ...137-..--2&'-1
..._--124._-2-7_6
..~._199_24_0_;':.185.
...L26_L.. 175.
26.4' 155 28.2: 141 29.7 \ 224 26.1! 211 27.9! J99
32.4 381
33.0! 425
33.3! 469
33.3,515
37.8 330
38.4 I 369
38.7 1 407
38.7\448
330
368
405
446
33.0! 309
33.9 343
34.8 i 379
35.1 :417
35 1 \ 283
36.3! 315
37.5 i 350
38.1 '386
37.5
38.7
39.9
40.8
'263
!291
.324
'357
39.9' 405
41.4 450
42.3 502
43.8.549
!!
j
j
- - '/
34.8
36.3
37.2
38.1
135c __
23.4 121 24.6. 110 26.1
258 147 27.0 129 28.5
27.9 ~ J§.!?_ .?~L.J49 .._31.2
30.3' 182 31.81 170 33.6
40· 350
45· 391
50· 433
55° 474
30.6'
31.5
32.1'
32.7'
,.'
32.7,242
33.0 /275
33.91299
35.1 330
125·
32.1 209
33.9! 234
35.1i263
36.9: 296:
i
34.8:
35.4!
35.7
35.7:
i
355
397
438
481
I
i
i
34.511193 35.7
35.7.216
37.8
37.5;24239.6
39.0 i 273 41.1
.
40.5
40.8
41.1
41.4
\ 306
1340
i376
(412
42.3
43.5
43.8
44.1
TEMPERATURA DEL R-12 COMERCIAL
1570CN
2080CN
TSo '" Temperatura saturada de descarga, OF
TSS
t
i
f
i
i
27.61240
29.7\ 224
29.1! 271 31.5 i 252
30.6130432.7;283
31.51 343 339 i 319
!
!
.......
20· 219 24.9)203
26.71188
28.5! 175 30.3 \160 32.1 i 254
25· 247 26.4 i 232 28.5 1213 30.3 199 32.1 '180 34.2; 285
30· 27827.9126330.0124432.1;22433.9.20336.3:322
35· 314 29.4 i 296 31.5 i 275 33.9: 250 35.7 1230 38.1 ••361
I
I
: '-- -
30.3 : 261
31.5 j 290
31.9 322
32.7 353
HP MBH HP MBH HP MBH HP MBH HP' MBH HP MBH HP MBH HP
I
t
25.3 158
26.7' 180
27.9! 206.
29.4 ~ 232
TSO = Temperatura saturada de descarga. OF
i
I
170
193
219
244
3610HN
TSO = Temperatura saturada de descarga. OF
I
I
125·
-M-BH--H-P-,
M-S-H--H-P-i-:
-M-S-H--H-P-M-SH--H-P--M-S-H-H-P---'-'
-M-S-H--H-P-!:-M-B-H--H-P-M-SH--H-P--M-S-H-H-P---'-M-S-H-H-P-
95°
\
105·
115·
125
0
TSo
135
0
95·
=
Temperatura saturada de descarga, OF
105·
115
0
125·
135·
i
MBH HP MBH HP M8H HP MBH HP MBH HP MBH HP MBH HP MBH HP MBH HP MBH HP
_5·
0°
5·
10·
93
105
118
134
15
20·
25"
3D·
149 18.6 i'39 19.5
170 19.5
21.0
,58 22.2
191 21.3 1,178
216 22.5 ;203 23.7
0
12.3 : 85
14.1 i 97
15.6
17.1 1124
1110
I
1
13.2 . 76
14.7
88
16.5 : 100
18.0 113
129
147
165
188
13.8
15.9 .
17.4,
19.2 ;
70
79
93
106
20.7 : 118
22.2 134
23.7 151
25.2 \ 172
15.0
16.5
183
20.1 ;
21.3
23.4
24.9
26.4
62
72
82
96
108
124
139
158
15.9
17.7
19.5,I
21.3 '
103
118
137
151
15.3
16.2
18.3
19.5
15.9
89
17.4 100
19.2, 116
i4J) 20.7 ; 131
16.5
79
18.3
90
20.1 . 106
21.9 . 121
17.4 i 69
19.5 ~ 82
21.3 96
23.1 :110
23.1
24.6
26.1
27.9
172
196
219
247
21.0
22.2
23.4
24.6
160
183
206
232
23.7 , 137
25.2 . 158
26.7 \.180
279 206
24.9
26.7
28.5
300
96
110
124
21.6; 149
23.7 170
25.2 193
26.4 219
18.6
20.4
22.5
24.6
127 26.4
144 28.5
165 30.3
191 31.8
116 I Cornpresores
Tabla 5.1 Continuaci6n.
2590CN
TSO
TSS
:=:
MBH HP MSH
- 5"
'0°
5"
10°
HP
15.0 108 16.5
17.1 124 18.6
192 14.1. 20.7
210 .-{60'\22 8
- ;:;;~~~
"
15° 193 23.1 180 24.9
20· 219 24.9 203 26.7
25· 247 26.4 232 2B.5'
30· 27B 27.9: 263 30.0
11B
134
151
172
;:-
TSS
=
OF
Temperatura saturada de descarga.
-
0
MBH
HP
MBH
98 17.7
90
113 20.1 103
129 21.3 118
147 24.3 137
..
.168 26.4 155
188 28.5 175
213 30.3 199
244 32.1 224
__ --~~-~---_-
TSO = Temperatura saturada de descarga,
135·
125"
115
lOS"
95°
3170CN
HP
MBH
19.5
21.6
23.7
26.1
- .~-.
28.2
30.3
32.1
33.9
95°
HP
MBH
80 20.4
93 22.8
106 25.2
124 27.6
141
160
160
203
29.7
32.1
34.2
36.3
105°
HP !MBH
of
115"
HP: MBH
135°
HP
MBH
HP
134
155
178
199
18.0)12419.5.11320.710321.99023.1
20.1 ; 144 216 [134 23.4 121 24.6
22.2 ,165 24.0 1155 25.8 147 27.0
24.0/11Eis"26.1 ! 175 27.9 152 29.7
110
129
149
26.1
28.5
31.2
224
254
285
322
26.1 211
27.6 ! 240
29.1 ! 271
30.6 i 304
170
192
216
242
33.6
35.7
37.8
39.6
~~···~-::'_"····"--l'---·-----··
!
27.9 1199
29.7! 223
31.5 \ 252
32.7 l 283
HP
MBH
-~'--.~'----
30.3
32.1
33.9
351
182
209
234
263
...
31-:8
34.5
35.7
375
-_~
TEMPERATURA SATURADA DE SUCCION. OF
Cortesia de Dunham-Bush,Inc.
na. Sin embargo, segun la tabla 5.3, se requiere un factor de correcci6n de 1.5 para el
subenfriamiento.
peratura real del gas de succi6n es de 65°F. II
subenfriamiento del liquido es de IOoF.
Solucion Se utiliza la tabla 5.1. Es necesario
hacer ajustes correspondientes al subenfriamiento del liquido, La capacidad requerida
es de:
14.5
x
t
12 000 Btuth
1
=
Capacidad
:::;:170 000 x 1.05
178 500 Btuth
Por 10 tanto, el eompresor 258 DHN es satisfactorio. El cornpresor requiere 25.3 bhp.
174 000 Btuth
t
5.16 Factores que afectan el
funcionamiento del compresor
A las TSS y TSD especificadas, la capacidad
de un compresor con clasificaci:6n 258 DHN
es de 170000 Btu/h. Segiin la tabla 5.2, para
u na temperatura real del gas de succi6n de
65tlF, no es necesario hacer correcci6n algu-
Los factores directos que influyen en el funcionamiento de un compresor (capacidad y po·
tencia), son los siguien tes:
...'
',
Tabla 5.2 Factores de correcci6n de la capacidad
del compresor, correspondientesa latemperaturadel
gas de retorno (succlon), para el refrigerante R·12
Temperaturadel
gas de retorno. OF
0
5
10
15
._-:--,20
..
Mulliplicador
Subenfriamiento,
Mulliplicador
.94
45
.9815
.9445
.9490
50
55
60
.986
30..
.9435
.958
.9625
.967
35
.972
40
.977
25·
Tempera/uradel
gas de retoino. OF
Cortesia de Dunham-Bush,Inc.
Tabla 5.3 Faclores de correcci6n de la capacidad
del compresor, correspondientes al subenfriamienlo
del liquido, para el refrigerante R·; 2
.9905
o
1
5
.995
1.0
10
15
75
1.005
1.0095
20
25
80
1.014
65'
70
OF
30
Cortesia de Dunham-Bush, Inc.
Multiplicador
1.000
1.006
1.030
1.050
1.070
1.090
1.110
1.130
Compresores reciprocantes
1. Velocidad del cornpresor,
2. Presion de succi6n.
3. Presion de desearga.
4. Tipo de refrigerante.
5. Temperatura
de sueei6n.
Hay otros faetores indirectos que influyen
en el funeionamiento del sistema, y por consiguiente en eJ funcionarniento del compresor,
como se indica en el capitulo 4.
EI cambio de estos faetores puede tener dos
efectos importantes: puede verse afectada la capacidad de un compresor de un tarnafio dado,
as! como el consumo de energia.
Velocidad del compresor. La capacidad de un
compresor se incrementa al aumentar su velocidad. Esta es la raz6n por la cual Jos compre·
sores modernos se disefian para trabajar a altas
velocidades, de manera que sepueden utilizar
compresores mas pequefios. La potencia reque·
rida aumenta con la velocidad en una propor·
cion ligeramente mayor que la capacidad. Esto
es, hay una Iigera perdida de la eficiencia de
la energfa a altas velocidades.
Presion de succion. La capacidad del compresor
se reduce a medida que la presi6n de succi6n
disminuye. Esto sucede por dos razones. La primer a es que al disminuir la presi6n aumenta
el volumen especifico del gas. El desplazamiento del compresor es constante; esto es, maneja
un flujo volurnetrico fijo de gas. EI resultado
es que el compresor maneja una cantidad rrienor de flujo rnasico del refrigerante, a un
volumen especifieo mas bajo, y por 10 tanto,
disminuye la capacidad de refrigeracion.
EI segundo efecto que tiene el cambio de
presi6n de sucei6n sobre la eapaeidad, 10 ocasiona el gas a alta presion que permanece en
el volumen de tolerancia. A presiones de suecion mas bajas, este gas se expande todavia mas
en la carrera de succion, acortando as) el
tiempo disponible para la admisi6n del nuevo
gas. Esto se ilustra en la figura 5.17, la cual
muestra una disminuci6n de la eficiencia vo-
I 117 )
lumetrica, con un aumento de la relacio n de
com presion.
La potencia requerida disminuye al red ucirse la presion de succion, puesto que se cornprime una masa menor de refrigerante. Sin
embargo aumenta la potencia al freno por tonelada, la cual representa la efieiencia en la uti:
Iizacion de la energia. Esto se debe a que la
relacion de cornpresion se ha inerementado,
o sea que se requiere mas trabajo para cornprimir una eantidad dada de gas.
Puesto que la presion de succion cambia
directamente can la temperatura de succ io n,
es conveniente trazar el efecto sabre el fu ncionamiento, en un sistema de ejes temperatura
de succion-funcionarniento.
En la figura 5.18
se muestra el efecto de la temperatura de suecion sobre el funcionarniento, para un conjunto tipico de condiciones.
Presion de descarga. La eapacidad del cornp resor disminuye a medida que la presion de descarga aurne nta, debido principalmente ados
facto res. Primero, el efecto de refrigerac ion
disminuye con un aumento de la presion de
condensacion (vel' figura 4.9). Segundo, la eficiencia volurnetrica se reduce debido a la rna7
6
It!
'0
t1l
OJ
c:
5
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4
s
0.
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s:
.0
3
a
E
CD
'E
2
:0
e
Ql
a:
a
-40
-20
a
20
40
Temperatura saturada de sucolcn, OF
Figura 5.18. EI efecto del cambio de la temperatura de succi6n sobre el funcionamiento de un compresor de poca capacidad (tipico).
118 I Compresores
yor expansion del gas a ]11<1S alta presion que
permanece en el cilindro. Esto se ilustra en la
figura 5.] 7, la cual muestra una disrninucion
de la eficiencia volurnetrica, con un aumento
en la relaci6n de cornpresion.
Tanto la potencia del compresor como
la potencia por unidad de capacidad se incrementan al aurnentar la presion de descarga, debido a la mayor relacion de cornpresion. Puesto
que la presion de descarga cambia directamente
con la temperatura de condensaci6n, es conveniente trazar el efecto sobre el funcionamiento, en un sistema de ejes temperatura de
condensacion-funcionamiento. En la figura
5.19 se muestra el efecto de la temperatura de
condensacion sobre el funcionarniento, en el
caso de un conjunto tipico de condiciones.
Tipo de reJrigerante. Losrefrigerantes difieren en
• las propiedades fisicas que afectan al funcionamiento del compresor, por ejemplo, difieren en
su calor latente y volumen especifico. En la
tabla 5.4 se muestran las comparaciones correspondientes a un conjunto especifico de condi5
--S~T = lJoF
III
"0
nI
4
Qi
r::
s
I
I
potencia (bhp)
f..--
~
(5
0.
0.
s:
.0
3
r--....
Capa .
r-- r-:::::
C1dad
~(tone/ad
.9
r::
po."
Ql
'E
'i5
r::
III
0:
2
1
~
80
.....-
--
90
Temperatura
\o(\~
•
as)
-r-- ........_
,_.--
6"P~
-
....
Tabla 5.4 Funcionamientocomparativodel compre-
sor, con diferentesrefrigerantes
Refrigeranle
A·12
A·22
R·502
a Funcionamiento
Capacidad, "Btutbr
Por ciento de fa
capacidad del R·12
24.000
38.400
42.000
100
160
175
a 40DF TSS Y 1050 TSC.
ciones. Por ejemplo, con referenda a la tabla, si
en u n compresor deterrninado el refrigerante
R-12 fuera sustituido por el R-502, la capacidad
aumentaria en un 75 por eiento. Esto es, si la
capacidad del compresor fuera de 20 toneladas
utilizando refrigerante R-12, la misma au mentaria a 35 toneladas si se utilizara R502. Por 10
tanto, podria utilizarse un compresor mas pe·
quefio para producir la misma capacidad, Sin
embargo, la potensia aumentaria proporcionalmente, as! que no se obtendria ventaja alguna en cuanto a la conservaci6n de la energia,
Temperatura de succion. Un aumento en el sobrecalentamiento del gas de succi on, da por
resultado un aumento en la capacidad del cornpresor. (Este efecto no es igual al cambio de
capacidad que acornpafia a un cambio en la
temperatura .de evaporaei6n) y se toma en
cuenta en las eorreceiones que se muestran
en la tabla de la capacidad del eompresor. Un
aumento en la temperatura del gas de sueci6n,
reduce la cantidad del refrigerante absorbido
en el aceite. Este refrigerante oeupa un espa·
cio que de otra man era, estaria disponible
para un nuevo gas de succi6n .
COMPRESORES ROTATORIOS
5.17 Operacion y construcci6n
100
110
saturada de condensaclon,
120
•F
Figura 5.19. EI efecto del cambia de la temperatura de condensaci6n sobre el funcianamiento de un
compresor de poca capacidad (tfpico).
Los compresores rotatorios son rnaquinas de
desplazamiento positivo, 10 mismo que los
compresores reciprocantes. Sin embargo, el
movimiento del eompresor es rotatorio (circu-
Compresores rotator ios I 119
Valvula de
descarga
Paleta
'lII.J~K-"-de
Conducto
succi6n
Aodillo
Figura 5.20. Un compresor rotatorio del tipo de piston rod ante (vista transversal). (Reprd'ducido con
autorizacion de Equipment ASHRAE Handbook &
Product Directory del ana 1979).
lar) en vez de reciprocante (lineal). Hay dos
tipos de coristruccion de compresores rotatorios: el de piston rodante (figura 5.20) y el.de alabe rotatorio (figura 5.22).
El tipo de piston rodante tiene un rodillo
montado en un eje excentrico can respecto a
la caja del cilindro. Un alabe 0 paleta estacionaria se mantiene permanentemente en contacto
can el rodillo por media de un resorte. Esto.
sella efectivamente ellado de succion que esta
orientado hacia la descarga del compresor. Debide a que el rodillo no esta ubicado al centro
de la caja, cuando gira, cambia el volumen tan[0 del lade de succion
como del lado de descarga (figura 5.21). Esto comprime el gas, de
una manera semejante a como 10 hace el compres or reciprocante. En la figura 5.21 (a) el
cilindro esta Ileno de gas a la presion de suecion. A medida que gira el rotor (en el sentido
de las manecillas del reloj) el volumen dj srninuye en ellado de la descarga, figura 5.2] (b),
Y aumenta la presion del gas. (AI mismo t iernpOt el volumen aumenta en ellado de la suecion, aspirando nuevo gas). Cuando la presion
del gas comprimido se eleva por encima de Ia
presion de la linea de descarga, se abre la valvula de descarga, figura 5.21 (c).
El tipo de dlabe rotatorio (figura 5.22) tiene
alabes montados en el rotor. Cuando este gira, los alabes hacen contacto con el cilindro debido a la fuerza centrifuga, separando el Iado
de alta presion del.lado de baja presion. E1 ro.tor excentrico fuiiciona de la misma manera
que el del ti po de piston rodan teo
En d caso de los compresores rotatorios no
se requieren valvulas de succion porque el flujo
.es continuo y el alabe separala presion dellado de. alta de la del ladode baja. Sin embargo,
se utiliza una valvula de retencion en la Iiriea
de entrada de la succion, a fin de evitar que
haya migracion del refrigerarite al evaporador,
mientras el compresor no esta trabajando.
de succlon
Rotor
(a)
(b)
(c)
Figura 5.21. Operacion de un
compresor rotatorio a) EIvolumen total de cilindro esta lIeno
de gas en ellado de la descargaob) EI gas se comprime en
el lado de la descarga. Entra
nuevo gas de succlon. c) La
presion obliga a la valvula de
descarga a abrirse. EI lado
de la succi6n se !lena con
nuevo gas.
120 I Compr.esores
Conducto
de succi6n
Figura 5.22. Compresor del
tipo de alabe rotatorio (vista
de una seccion transversal).
(Reproducido con autorizacion de Equipment ASHRAE
Handbook & Product Directory del ario 1979).
Acumulador de succlon
.?'.:
.- f'"-
'.",',
Compresor rotatorio
Figura 5.23. Vista transversal de
un compresor rotatorio herrnetico
(Fedders Compressor Company).
Compresores rotatorios helicoidales I 121
Cuando se alcanza Ia presion de descarga del
compresor, se abre una valvula de descarga
del tipo de lengileta.
Los pequeiios compresores rotatorios hermeticos pueden adquirirse con capacidades de
hasta 5 hp (figura 5.23). EI gas comprimido descarga en el casco del compresor, en donde se
utiliza para enfriar el motor. A pesar de que
la temperatura del gas de descarga es relativamente alta, esta se halla par debajo de la ternperatura a la que opera el motor y remueve
suficiente calor del mismo, porque su derisidad es mucho mayor que la del gas de succion.
EI aceite lubricante se almacena en el colector situado en la parte inferior del casco del
cornpresor. Puesto que el aceite se hall a a la
presion del gas de descarga en el casco, fluye
naturalmente hacia las superficies de desgasteoSe provee un acurnulador en la linea de suecion, el cual recoge el refrigerante liquido can
frigeradores dornesticos y en los peq uenos
equipos integrales de aire acondiciona do.
Para obtener ternperaturas muy baja s (ver
capitulo 12), se utilizan los sistemas de compre·
sion de dos etapas. En estos sistemas, la descarga procedente de la etapa de baja presion
alimenta la succion del compresor en la etapa
de alta presion. Los compresores rotator ios de
gran taman a se utilizan con frecuencia en la
etapa de baja presion (etapa de refuerzo), pues·
to que son los mas apropiados
debido a que
tienen un volumen de tolerancia mtly reducido.
La reexpansion del gas retenido, [a cual tiene
u n efecto nocivo sabre la eficiencia a presiones
muy bajas, es menor que en un compresor reciprocante. EI control de la capacidad de los gran·
des compresores rotatorios, puede lograrse
mediante una desviacion del gas caliente.
aceite.
COMPRESORES ROTATORIOS
~ELICOIDALES (DE TORNILLO)
Aparte de su elevada eficiencia volurnetrica, el pequerio compresor rotatorio hermetico tiene otras ventajas sobre el compresor
reciprocante herrnetico. Su peso y tarnafio se
reducen a aproximadamente
la mitad del pe·
so y tarnafio que tienen los compresores reciprocantes de capacidad similar. Adernas, sus
partes moviles son unicamente tres, en vez de
aproximadamente
once. EI uso del compresor
herrnetico rotatorio es muy cornun en los reo
5.18 Operacion y construccion
Este compresor tarnbien es del tipo de desplazamiento positive, que aumenta la presion disminuyerido
el volumen del gas. Se compone
de dos rotores engranados, cuya forma es algo
se mejante a la de los tornillos cornu nes (figura 5.24). Un motor acciona el rotor macho, el
I
I
I
Figura 5.24. Vista transversal de un compresor rotaterio helicoidal (de tornillo) que
muestra los rotores macho y
hembra, asf como la direccion del gas (Cortesia de
Dunham-Bush, Inc).
122 I Compresores
cual tiene lobules prorninentes, EI rotor hembra tiene ranuras en las que engranan los
lobulos machos, irnprirniendoles movimiento.
Los rotores estan alojados en una caja.
EI gas refrigerante se asp ira axialrnente hacia los rotores desde la abertura de succion situada en un extrema de la caja. Cuando los
rotores giran, el gas queda alojado en la cavidad existente entre los dos rotores. EI lobulo
macho disminuye gradualmente eI espacio entre el mismo y la cavidad hernbra, aumentando as! la presion del gas. AI mismo tiempo, el
gas se traslada hacia el extremo de descarga,
para salir a traves de la boca de descarga.
La eficiencia volumetrica es elevada, debido a que el espacio libre entre los rotores y las
paredes de la eaja es mirrimo, y no existe espa·
cio libre alguno para valvulae. Virtualmente no
tiene lusar desgaste alguno en los rotores,
puesto que no se toean entre sf, sino que solo
hacen contacto con una pelicula de aceite.
La figura 5.25 es una vista en corte de la valvula corrediza. Un piston piloto controla la po·
sicion de esta valvula. A su vez, el piston se
controla hidraulicarnente mediante un termostato u otro control autornatico (el eual no se
muestra en la figura). A plena carga, la valvula
corrediza esta en su posicion de extrema iz-
quiercla. com pr imiendose todo el gas de suecion y enviandose a la boca de descarga que
esta totalmente abierta. Si hay una demanda
de disminucion de Ja eapaeidad, eJ piston mueve la valvula corrediza hacia 1a derecha, abriendo un pasaje de desviacion. Cierta eanticlad de
gas de succion recircula y regresa a la entrada,
reduciendose asi la capacidad del compresor.
Puesto que practicarnente no se reaJiza trabajo alguno sobre el gas de succion desviado, y
el control de capacidad regula con la posicion
de la valvula corrediza, la reduccion de la po·
len cia a carga parcial es lineal con respecto a
la d ism inuci on de la capacidad. Por ejernplo.
a una earga de un 50 por ciento, la potencia
requerida es de 50 pOl'ciento. Esto es equiparable con la eficiencia del compresor centrffugo
a carga parcial, y es superior al funeionamiento
de un compresor reciprocante con descargadores. Mediante el uso de la ~alvula corrediza,
es posible lograr una regulacion de capacidad
de aproxirnadamente
un 10 por ciento.
Se inyecta aceite en el cilindro de los cornpresores de tornillo, para lubriear los rotores,
y para crear una pelicula de sello herrnetico
entre ellado de alta y ellado de baja presion.
La inyecci6n de aeeite da por resultado ciertos beneficios, entre los cuales se encuentran
los siguientes:
l. Disrninucion
2.
3.
4.
SALIDA
Figura 5.25. Operaci6n de la valvula corrediza del
compresor helicoidal, para el control de la capacidad. (Reimpreso con autorizaci6n de Equipment
ASHRAE Handbook & Product Directory del afio
1979).
5.
del efeeto de penetracion del
Iiquido debido a una dilucion con el aceite.
Cierto efecto de enfriamiento que disrninuye las ternperaruras de desearga del gas caliente y el. trabajo de cornpresion.
Se ayuda a mantenerrelaeiones elevadas de
cornpresion, debido a la pelicula de aceite
(y a un ajuste preciso entre los rotores).
La utilizaci6n de una neblina de aceite
para enfriar e] motor en los compresores
herrneticos de tornillo.
Se provee un efeeto de absorcion de ruido.
EI sistema de lubricacion requiere una bomba,
un filtro y un enfriador de aceite, con sus correspondientes tuberias y valvulas. Tarnbien se
Compresores rotatorios helicoidales I 123
I
I
I
II
I
II
l
I
!
necesita un separador de aceite para separar el
aceite del gas caliente. Los filtros de aceite deben ser confiables y eficientes, puesto que la
calidad del aceite que se inyecta en los rot.ores
es decisiva. EI enfriador de aceite rernueve el
calor adquirido en el proceso de com presion,
Se dispone de compresores de tornillo, tanto del tipo herrnetico como del abierto, cuyas
capacidades son de hasta 1500 hp aproximadamente. Su confiabilidad en cuanto al servicio,
mimero reducido de partes rnoviles, mlnirno
de mantenimiento
y baja vibracion da pOl' resultado que sean bien aceptados dentro de sus
Iimites de tarnano.
Se ofrecen en arreglos
integrados de enfriamiento para agua, para
utilizarse en los equipos de aire acondicionado, en la misma forma que los compresores
centrifugos y reciprocantes.
Mediante el uso de un economizador se pueden lograr mejoras significativas en el funcionamiento. Con este dispositivo, parte del gas
de vaporizacion subita del refrigerante se hace
pasar al compresor, a una presion intermedia,
a traves de una succi6n y descarga secundaria.
Esto puede aumentar la capacidad de refrigeracion de lOa 40 por ciento, dependiendo a
las condiciones de temperatura. Debido a que
esta disposicion es similar ala empleada en los
sistemas can compresores centrifugos, el funcionamiento se explicara en el capitulo 10.
Existen compresores herrneticos de tornillo
(figura 5.26) de poca capacidad que poseen
muchas de las caracteristicas que tienen los
compresores reciprocantes herrneticos. No tienen bomba deaceite 0 separador de aceite externo, y el motor se enfr ia con el mismo
refrigerante. La capacidad de estos compreso·
res para enfriamiento
de agua puede variar
desde 50 hasta 120 toneladas de refrigeracion.
Figura 5.26. Compresor helicoidal herrnetico de poca capacidad (Cortesia de Dunham/Bush, Inc.).
I. La capacidad
2.
3.
4.
o,
5.19 La conservacion de la energia
y los compresores
6.
Algunos de los factores que intervienen en la
conservacion de la energia y que se estudian
en este capitulo, pueden resumirse como sigue:
del compresor au menta con
una presion de succion mas alta y una presion de descarga mas baja.
La potencia requerida pOl' el compresor disminuye al reducirse la relacirm de COIllpresion.
La potencia elel compresor se incrementa
al aurnentar el volumen de tolerancia.
EI control de la velocidad da pOI' resultado
una excelente disrninucion de la potericia,
con una reduccion de la capacidad.
La descarga del cilindro proporciona una
adecuada disrninucion de la pntencia, reduciendose la capacidad.
Los compresores helicoidales tienen una excelente demanda de potencia a plena carga (y a carga parcial con un control de
valvula corrediza).
124 I Compresores
7. Un econornizador
(capitulo 10) instalado en
el compresor
de tornillo dism inuye co nsiderablemente
1<1dernanda de energia,
,.
Tarnbien es posible ahorrar energia mediante la utilizncion de COll1pl'esores multiples en
un sistema, puesto que, a cargas parciales, algu nos de los com presores pueden opera rse a
plena carga (la cual es por 10 general, la cond ir io n de operacion
mas eficiente), mientras
onos est.in fueru de servicio. Descle luego, esro
tiene adernas resultado, el beneficio adicional
de con tar con una capacidad de reserva, en
el caso de que ocurra una Falla en .un compresor.
PREGUNTAS
DE REPASO
1. Enumerar
1<1funcion principal}'
alguntls
funciones secundarias de un compresor de
refrige racion.
2. ~C()J1lO aurneut a lin c01l1presor de desplazamiento pnsit ivo, la presion del gas?
:L (Que tipos de compresores
de desplazamiento positivo hay?
-I. Describir la operaciou de lin cOlJ1presor
rcciprocaute
se ncillo, y acompanur 141 descripcion COil un dibujo del mismo.
n. Explicar que se entiende pOl' uu com preSal' ab ie rto ~: un compresor
herrnet ico.
~Que es un compresor
sem iherrnet ico11. Discu tir alg1lJlas ventajas de los compresores hermet icos.
7. c::Por que son necesarios los sellos en los
com presort's?
H. ~CU<lles SOil las dos maneras basicas de sellar un compresor? Describir lin sello rotntorio.
~). Nornbrar v dcscribir los dos tipos de \";:11vulas de succion y de descurga de un COI11presoL
10. cCml1es SOil las dos maneras de lubricar los
compresores?
11. Ex plicar curil es la funcio n del conducto
de aceite r de lu valvula de ret en cion. en
Ia su ccion del com presoL
I~. cEn que condiciones
surge algtlll preblerna, cuando el refrigerante
entra a un cornpresor reri proca n te? ~Por que?
I:t (Que efecto pucde rener sobre el com preSOl', la mezcla del ace ire y el refrigerante>
I-I. Explicar que es el escurrimiento
del Iiqu ido, la penetracion
del mismo, y sus posibles causas.
IS. Describir algunas maneras de evitar tanto
el escurr imiento del liqu ido como la penetracion del misrno.
16. Explicar que es la migraciori del refrigerante y su causa.
17. cCuales son los posibles efectos de 13 migracion del refrigerante?
IS. Describir algunos medios de impedir la
migracion del refrigerante.
19. (Por que es deseable el control de la capa·
cidad del compresor?
~O. (Que efectos indeseables pueden te ner Iugar cuando se rrabaja el compresor
a cargas parciales.
2 I. Nombrar y describir los metodos de control de la capacidad del cmnpresor.
Enumerar las ventajas y clesventajas de cada
uno.
22. Explicar el uso de una valvula de expansi6n para eJiminar eJ sobrecalentamiento.
23. Explicar que significa el desplazarniento
del cornpresor, la capacidad del mismo y
la eficiencia volumetrica.
24. (Que es eJ volumen de tolerancia? (Cual
es su efecto?
25. Enumerar
los faetores que afectan el funcionamiento
del compresor, y explicar como es que 10 afectan.
26. r:Cuales son los dos tipos de compresores
rotatorios? (Cuales son las caracteristicas
deseables de los compresores
rota tori os?
27. (CU<:llesson las caracteristicas
deseables de
los compresores
helicoidales 0 de tornillo?
28. Enurnerar algunas maneras de disminuir
la energia utilizada para accionar los compresores de refrigeracion.
i
·'r:··
r
f
I
Problemas I 125
PROBLEMAS
5.1 Un sistema de reftigeracion
r
I
t
!
!
I
I
I
I
I
~
I
I
I!,
!
I
I
1
I
j
I
I
que utiliza
refrigerante R-717, opera a [as temperaturas
de
evaporaciori
y co ndensacion de 20°F y 110°F,
respectivarnente.
(Cu<11 es 1a relaci6n de compresion del com presor?
5.2 Un compresor tieue un desplazarniento
de 85.7 PCM. Tiene una capacidad de 216,000
Btu/h, cuando maneja refrigerante
R-12 en
condiciones
de succi6n y descarga saturados,
a 40°F y 110°F, respectivamente.
~Cual es la
eficiencia volumetrica
del compresor?
5.3 Un sistema de refrigeraci6n
que utiliza
refrigerante
R-12, opera a una temperatura
de evaporacion de 10°F, Yuna temperatura
de
condensaci6n
de lOO°F. La capacidad reque·
rida del sistema es de 18 toneladas. Si se supone que se utiliza un compresor
del tipo cuya
eficiencia volurnetr ica se muestra en la figura
5_17, detenninar
el desplazarniento
requerido
del compresor.
Supo ner que las condiciones
son ideales, excepto que el gas de succion se
sobrecalienta
a 65°F.
5.4 Determinar
el desplazam iento de un
compresor
de dos cilindros cuyo diametro interior es de 2.5 pulg, y su carrera de 2.5 pulg,
y que opera a 3,500 rpm_
5_5 Seleccionar
un compresor
del tipo curas caracteristicas
se rnuestran en la tabla 5. I,
para una capacidad de 220,000 Btu/h, utilizando
refrigerante
R-12. Las ternperaturas
saturadas
de sueci6n y clescarga son de 25"F y 105"F. respectivamente.
La temperatura
real del ga s de
succiori es de 50°F. El subenfr iamiento del IIqu ido es de 10"F.
5.6 Seleccionar un compresor del tipo cuyas
caracteristicas se rnuestra en 1a tabla 5.1, para
una capacidad
de 21.0 toneladas de refrigeracion, utilizando
refrigerante
R·12. Las temperaturas de succi6n y descarga saturadas son de
35"F y 125°F, respectivarnente.
La temperatura real del gas de succion es de 65°F. EI subenfriamiento
del liquido es de 20°F.
5.7 Un sistema de refrigeraci6n
que uti liza
refrigerante R-22 opera a una temperatura
de
evaporaci6n
de 24°F, y a una temperatura
de condensaci6n
de 104°F. La capacidad
requerida del sistema es de 45 toneladas. EI compresor tiene una eficiencia volumetrica
de 78
por ciento. Deterrninar el desplazamiento
re• querido del compresor.
Suponer condiciones
ideales, excepto que el gas de succion se cali enta a 60°F.
5_8 Un compresor
R-717 con un desplazamiento de 173 PCM opera en un sistema a ternperaturas
de evaporacion
y conclensaci6n de
20°F
I
La eficiencia volurnetrica
del
compresor
es de 72 por ciento. EI gas de sueci6n entra al compresor
con 30°F de sobrecalentamiento.
Deterrninar
la capacidad de refrigeraci6n en toneladas y kW, Y la potencia del
compresor
en kW_
y io-r.
'.,
Capitulo
TRANSFERENCIA DE CALOR EN
REFRIGERACION. EVAPORADORES
3. Comprender el significado de la DTME y
las diferentes disposiciones del flujo.
4. Explicar cual es la diferencia basica entre
-Ios evaporadores de expansion seca y los
evaporadores inundados.
5. Distinguir las principales caracteristicas de
la construccion y los usos de los diferentes
tipos de evaporadores.
6. Seleccionar un enfriador de Iiquido.
7. Indicar algunas medidas que se deben tornar
para conservar la energia, en la seleccion )'
operaci6n de los evaporadores.
E] evaporador es el componente del sistema de
refrigeraci6n en donde se alcanza el objetivo:
la rernocion de calor del medio que se desea
enfriar. En este capitulo se discuten los tipos
de evaporadores, su construccion y los factores que afectan su funcionamiento. Existe una
gran variedad de formas y disposiciones de los
evaporadores para fines especiales. Este tema
se discutira en forma limitada. Se hace hincapie en las caracteristicas basicas y algunas de
las cuestiones mas importantes de disefio y
operacion. Tambien se presentan algunos principios relacionados con la transferencia de calor, que son esenciales para la comprensi6n del
funcionamiento, tanto de los evaporadores corna de los condensadores, as! como para tomar
las decisiones apropiadas en 10 que concierne
a la utilizacion de la energia.
6.1 Transferencia de calor en la
refrigeraci6n
La transferencia de calor constituye un proceso esencial en la refrigeracion. EI objetivo de]
evaporador es transfer ir calor desde el medio
que se desea enfriar. El objetivo del condensador es transferir (rechazar) el calor adquirido
en el sistema, a algiln medio conveniente de
enfriamiento. Se analizaran algunos principios
basicos referentes a la transferencia de calor. Es
necesario poseer estos conocimientos para po·
der determinar el funcionamiento del equipo,
calcular las cargas de refrigeracion, conocer la
manera de operar los sistemas eficientemente,
y reducir a un minima el consumo de energia.
OBJETIVOS
El estudio de este capitulo permitira:
1. Distinguir los tres metodos de transferencia de calor.
2. Comprender los terrninos: resistencia, conductancia , y factor de incrustacion.
127
128 I Transferencia de calor
6.2 Formas de transferericia de
calor
Previamente se definio eI calor como la forma
de energia que fluye 0 se transfiere de un cuerpo a otro, como resultado de una diferencia de
temperatura entre los mismos. La transferencia de calor puede tener lugar en tres forrnas
distiruas: conduccion, conveccion, y radiacion.
natural generalmente es minirno, y por consiguiente la transfereneia de calor tarnbien es minima. EI movimiento del fluido, y par tanto la
transferencia de calor, puede aumentarse utilizando un ventilador en el caso de los gases,
a una bornba en el caso de los liquidos. A este
tipo de convecci6n se Ie llama conueccum forzada.
La radiacion termica es la Janna de transferencia de calor que se efectua entre dos cuerpos separados, como resuliado de uti media
La conduccion es laJanna de transferencia de
calor a travis de un cuerpo, y que tiene Lugar
sin mouimiento alguno de dicho cuerpo; es el
resuliado de una accion molecular a eiectronica.
llamado radiacum eieciromagnetica, llamada
a ueces mouimiento ondulatorio.
La conueccion es laforma de transferencia de
Como sucede con todas las formas de transferencia de calor, un cuerpo debe hallarse a
una temperatura mas alta que el otro. El calor
se transfiere entre los dos cuerpos, aun en el
caso de existir un vacio (la ausencia de toda
materia) entre ellos. Cuando un gas se encuentra presente entre los cuerpos, aun hay transferencia de calor, pero por 10 general en una
proporcicn menor, No obstante, la presencia
de un objeto solido opaco entre los cuerpos impedira la radiacion. Como ejemplos comunes
de radiacion se tienen el calor que reeibe nuestro cuerpo cuando permanece enfrente de un
fuego, y el calor que se recibe del sol.
calor que resulta del mooimiento total de los
liquidos 0 los gases_
6.3 Resistencia termica
La conduccion es muy cormin en la transferencia de calor a traves de los solidos; por ejemplo, cuando el cuerpo metalico de una olla se
calienta en una estufa, e) calor fluye par el
mango, para llegar hasta Ja rnano. La transfe-rencia de calor par conduccion puede tambien
tener lugar a traves de los Iiquidos y los gases;
sin embargo, en los fluidos puede ocurr ir una
forma adieional de transferencia de calor, la
eual se llama conveccion.
Un ejemplo comun de conveccion es el
del calentador de agua, que calienta el aire
encerrado en una habitacion. EI calor se transfiere al aire adyacente a la superficie metalica, aurnenrando
su temperatura. Luego, este
aire se mueve verticalmente hacia arriba, puesto que ahora es menos denso (mas ligero) que
el aire circundante mas frio. De este modo, eI
aire se mueve continuamente par el espacio.
Esta forma de conveccion se llama conueccitm
natural, clebido a que el fluido se mueve par
las fuerzas naturales de la gravedad, creadas
por las diferencias de densidad. La parte menos densa del fluido se eleva y la mas densa
(mas pesada) desciende. EI movirniento del fluido, creado por los efectos de la convecciori
La transferencia de calor par conducci6n a traves de un cuerpo se determina mediante la siguiente ecuaci6n:
1
Q = - x A x DT
R
(6.1)
en donde:
Q = transferencia
R
A
DT
0=
de calor en Btu/hr
resistencia terrn ica del cuerpo en hrpie2-oF/Bru
area su perficial del cuerpo a traves del
cual fluye el calor en pie~
diferencia de temperatura a traves del
cuerpo en OF
Objetivos I 129
El significado de esta ecuaci6n es Oluy irnportante para comprender los factores que
afectan el funcionamiento de un sistema de refrigeracion, especialmente
can respecto a Ja
u tilizacion de la energia.
La resistencia termica, R, es una propiedad
de una sustancia que afecta la cantid ad de calor
transferido a traves de la misma. Los materiales que tienen una elevada resistencia terrnica
transmiten el calor en una proporcion baja. Estos materiales son buenos aisladores. Los rnateriales cuyo valor de R es bajo, son buenos
conductores del calor. En las paredes de un reo
frigerador se puede incluir un material como
el uretano, que t.iene una alta resistencia termica, puesto que as) se reduce la transfereneia de calor, y consecuentemente tarnbien se
reduce el uso de energia requerida en el sistema de refrigeracion. Par otra parte, en un evaporador se puede utilizar tuberia de cobre, la
eual tiene una resistencia muy baja. Esto dara
par resultado una buena transferencia de calor desde el medio que se de sea enfriar. En la
tabla 6.1 se muestran las resistericias termicas
de algunos materiales.
La ecuacion 6.1 muestra que 105 valores
elevados de R indican una baja transferencia
de calor, puesto que R apareee en el denominador. Muestra asimismo que la transferencia de calor es directamente proporcional
al area superficial A. Si se desea aumentar la
eapacidad de refrigeracion de un evaporador,
sera necesario utilizar mas tubos. La transferencia de calor es asimismo directamente
proporcional a la diferencia de temperatura.
Mientras mayor sea la diferencia de ternperatura, mayor sera la cantidad de calor
transferido,
6.4 Conductancia y conductividad
La conductancia, C ,de un cuerpo se define como el inverse de la resistencia:
1
C=-
R
(6.2)
en donde C son unidades de Btu/hr-pie2-oF.
La coductancia termica de un material puede
considerarse como su capacidad de conducir
el calor, y tiene el significado opuesto de la resistencia terrnica.
Es conveniente definir otro terrnino mas, reo
lacionado con los anteriores. La conductiuidad
termica k de un cuerpo es su conductancia par
unidad de espesor, expresada gent;ralmente en
las unidades Btu/hr pie2-oF, por pulgada. Las
tablas indican a rnenudo la conductividad de
los materiales. La conductancia se puede haBar mediante la ecuacion.
k
C=-
(6.3)
L
en donde:
C
k
=
=
L =
conductancia en Btu/hr-pie2-oF
conductividad en Btu/hr-pie2-oF
pulg de espesor
espesor del material en pulg
por
Ejemplo 6.1 Se aplican cuatro pulgadas de aislamiento cuya conductividad termica k = 0.26
Btu/hr-pie2.oF por pulgada, a las paredes de
una carnara frigorifica cCual es la conductancia y resistencia del aislamiento?
Soluci6n De las ecuaciones 6.2 y 6.3, se tiene
que
k
C =-
L
0.25 Btu/hr-p ie i-Pf
= -1
C
pulg.
4 pulg
=
R
pOl'
= ----~----=---=-0.06 Btu/hr- pie2-oF
= --
1
0.06
=
.
16.7 hr-pie
'J
i+
°F/Blu
6.5 Conductancia de una pelicula de
Hquido 0 de gas
Cuando la transferencia de calor tiene lugar
entre la superficie de un solido y un fluido (If-
130 I Transferencia
de calor
Tabla 6.1, Resistencia terrnica (R), hr-pie2-oF/Btu.
Por pulgada de espesor
Suslancia
Aluminio
Concreto (arena y grava)
Cobre
Capa de libra de vidrio
Acero
Uretano. expandido
Madera (roble)
R. par pulgada
0.0007
0.08
0.004
3.1
0.003
5.9
0.90
quido () gas). una del gada pelicula del fluiclo
adyacente a la superficie, tiene una resistencia
y conductancia, como en el caso de un solido.
A la couductancia
de los flu idos se Ie llama a
menucio coeficieute de pelicula . Para designarlo,
a veces se utilizan los sirnbolos h a J, en lugar
de C . La transferencia de calor que ticne lugar entre un solido y el fluido circu ndante es
generalmente una cornbinacion de conduccion
y conveccion. que ocurren al mismo tiernpo.
A veces tambien interviene la radiacion. Cuando la conductancia de una pelicula se mide en
una prueba real. dichos efectos se agrupan y
cornbinan en un valor de conductaneia a resistencia, a fin de sirnplificar los calculos.
En el caso de lin solido, el un ico factor que
afecta la resistencia terrnica es la com posicion
del propio material. excepto que existen algunos cambios que pueden afectar la resistencia.
POl' ejemplo, si se com prime el aislamiento de
fibru de vidrio, disminuye su resistencia,
No obstante, la resistencia de una pelicula de
flu ido clepencle de muchos factores, adernas
de Sll cornposicion. Las impurezas presentes en
el tluido por 10 general aumentan la resistencia. Tambien afecta la condicion de la superficie. Los recubrimientos sobre la superficie de
transferencia de calor. tales como las incrustaclones 0 el aceite, pOl' 10 co mun aumentan la
resisrericia. Es por este motive que es de vital
irnportancia
mantener limpias las superficies
de los tubos, asi C01110 proveer u n buen retorno de aceite en los sistemas.
Un factor importante que afecta a la resistencia de la pelicula de un fluido es la velocidad
del fluido par sobre la superficie. La resistencia terrnica disminuye a medida que aumenta
la velocidad. Es par este motive que la conveccion forzada mejora la transferencia de calor
en cornparacion con la coriveccion natural.
Otro heche que reviste irnportancia en 10 que
respecta a las peliculas de los fluidos, es que
la resistencia terrnica de los liquidos es rnucho
menor que la de los gases. ESLOexplica por que
un evaporador inundado es superior a un evaporador del ti po de expansion seca.
Todos estos puntos que conciernen ala resistencia de la pelicula del fluido, estan relacionados con el problema de la utilizacion de .
13 energia. Al disminuir 13 resistencia terrnica
se aumenta la transferencia de calor en el evaporador (yen otros carnbiadores de calor), dando par resultado una utilizacion mas eficiente
de la energia.
6.6 Resistencia y conductancia
totales
La transferencia de calor que tiene Iugar en la
refrigeracion ocurre generalmente de un fluido a otro, a traves de peliculas de fluid os y de
solidos, como la pared de un tuba rnetalico
o la pared de u n edificio. La resistencia terrnica completa 0 total es, en tales casas, la suma
de las resistencias individuales en serie, como
se expresa en la siguiente ecuacion:
R,
=
R
I
+ R'2 + R3 + '"
(6.4)
en donde
resistencia termica
total
resistencias terrnicas individuales
Par ejemplo, si se tuviera el muro de un edificio compuesw de dos mater iales en serie (uno
despues del otro) habria cuatro resistencias in·
Objetivos I 131
dividuales, incluyendo las peliculas de aire a
ambos lados, como se muestra en la figura 6.1.
La conductancia termica total, U, conocida tambien como coeficiente de transferencia total de ca-
lor, se obtiene mediante Laecuacum:
U=
1
RI
en donde:
I
I•I
f
I
J
i
• f
U =
RI
=
conductancia
Btu/hr-pie2.oF
termica total en
resistencia terrnica total en
hr.pie2.oF/Btu
Elfactor de incrustacion. La coridicion que guar·
da el agua en un cambiador de calor tiene
un efecto considerable sobre la resistencia termica de Ia pelicula de agua. Los depositos minerales del agua pueden recubrir la superficie
del tubo, aumentando la resistencia terrnica.
Tarnbien pueden ocurrir otras formas de contaminaci6n. El procedimiento normal para reo
presentar estos efectos es introduciendo una
resistencia terrnica apropiada, conocida como
el factor de incrustacum. 0 resistencia /)01" incrustacion. En el caso del agua dulce y limpia ut ilizada en un circuito cerrado, como en un
enfriador de agua, el factor de incrustacion es
R = 0.0005 Btu/hr.pie2-oF. Cuando se uriliza
agua dulce en un condensador provisto de una
torre de enfriamiento y con un buen sistema
de tratamiento de agua, se tiene como factor
tipico de incrustacion, R = 0.001. En toda aplicacion, el factor de incrustacion que se h a de
utilizar debera determinarse antes de seleccionar los cambiadores de calor.
6.7 La ecuacion de transferencia de
calor
La siguiente ecuaci6n se utiliza para ca1cular
la transferencia de calor en los evaporadores
de los enfriadores de liquido y en los condensadores enfriados por agua.
Q = U x A x DTME
en donde:
Q
U
A
~
I
i
I
DTME
Ro = RT
U
+ R2 + RJ + R4
= .L
Ro
I
r
I
Aislamiento, R3
(6.5)
transferencia de calor en Btu/hr
coeficiente de transferencia total
de calor en Btu/hr.pie2.oF
superficie de transferencia de calor de la tuberia en pie2
Diferencias de temperatura media
efectiva entre fluidos en OF
EI significado de los term in os de esta ecuacion debe explicarse. Cuando el refrigerante
esta por fuera de los tubos (como es el caso
de un enfriador inundado), el coeficiente de
transferencia total de calor Use determina de
la siguiente m anera:
U
1
=- =
RI
I
R, x
j.
+ Rut + Rr + RI
(6.6)
!
I
en donde
Figura 6.1. Resistencia terrnica total de varias resistencias en serie (muro de un edificio).
resistencia termica total en hr·pie2.oFlBut.
132 I Transferencia de calor
resistencia de la pelicula de refrigerante
resistencia de la pared del tuba
R",
RJ == resistencia del factor de incrustacion
en el lado del Iiquido
resistencia de la pelicula de liquido
RI
r ee relacion entre las areas exteriores e interiores de los tubas
R,.
A diferencia de una pared plana, el area
de la tuberia es diferente en la superficie exterior e interior. En la ecuaci6n 6.6 se utiliza
la superficie interior del tuba. Es par esta razon que la resistencia de la pelicula exterior
se corrige multiplicandola por la relacion entre
la superficie exterior y la interior, r . Par suo
puesto que en el caso de un muro plano, r == 1.
de carnbio, y por consiguiente Ia diferencia de
temperatura entre los dos fluidos no es constante, como se ve en la figura 6.2. Es preciso
determinar el diferencial de temperatura media para ser utilizado en la eeuaei6n 6.5. De
primera intencion, podrfa parecer que se deberia utilizar la diferencia promedio aritrnetiea de la temperatura. Sin embargo, esto no
sucede asi, debido a que la temperatura del
fluido cambia can mayor rapidez al principio,
y luego mas gradualmente, como se indica. Se
ha eneontrado que la diferencia de temperatura
media ejectiva (DTME) para la transferencia
de calor, conoeida tarnbien como la diferencia de
temperatura media logoritmica ,(DTML) es igual a
DTME
=
DTA -
(6.7)
TDA
In
6.8 Diferencia de temperatura
media efectiva
DTB
TDn
en donde:
La temperatura de un fluido en un evaporadar a condensador esta en continuo proceso
D T M E = diferencia de temperatura media
t
J
Agua
t
Evaporador
th entrada
Refrigerante
te
A
8
r--------l
Refrigerante
que sa evapora
th salida
TO
te~--------------~------L---------------~tc
o
~
Area
Figura 6.2. Perfil de las temperaturas en un evaporador de refriqerante.
Area
total
Objetivos I 133
II
DT A
:=
DT B
=
fi
I
II
Ejemplo 6.2 Un enfriador enfr ia el agua de 65
a 50°F, can el refrigerante a una temperatura
de evaporacion de 40°F. Hallar la DTME y cornpararla can la diferencia de temperatura pro·
medio aritrnetica.
Soluci6n En la figura 6.3 se muestra un esquema de la disposicion. Se utiliza la ecuacion 6.7.
I
DT A = 64 - 40
DT B
I
I
II
I
=
I
50 - 40
24°F
=
l O'F
24 - 10
24
=~
La temperatura
DT prom
=
=
l60F
0.875
In10
«
I
=
=
DTA - DTB.
.DTME=---DTA
En-DTB
i
I
efectiva para la transferencia de
calor en of
diferencia de temperatura en un
extrema del cambiador de calor
en of
diferencia de temperatura en el
otro extrema del cambiador de
calor en of
promedio aritrnetica es
24
+
10
2
=
17°F
B
A
!
I
I
i
40°F~----~
Refrigerante
~
~40°F
I
f
~
Area
Figura 6.3. Diagrama correspondiente al ejemplo
6.2.
Se observara que la DTME es menor q_ u e la
DT promedio. Si se utiliza la DT prom edio,
la transferencia de calor calculada, sera mao
yor que el valor real.
Par conveniencia, en la tabla 6.2 se muestra una lista de valores de DTME para algunas combinaciones
de diferencias
de
temperatura.
6.9 Contraflujo y flujo paralelo
Cuando los dos fluidos circulan en la misma
direccion en un cambiador de calor, se dice
que se trata de un flujo paralelo . Cuando fluyen en direcciones opuestas, se dice que la disposicion es a contraflujo . Ambas disposiciones
se muestran en la figura 6.4, para un cambiador de calor de casco y tubos, en donde earnbia la temperat\lra de ambos fluidos. En el caso
del flujo paralelo, los fluidos entran y salen por
el mismo extremo del cambiador de calor; en .
el caso del contraflujo, los fluidos eritran y salen por lados opuestos.
En el caso de los cambiadores de calor en
los cuales cambia la temperatura de ambos fluidos, como en los serpentines de agua frfa para
enfriar el aire, y en las torres de enfriamiento,
la selecci6n de la disposiciori de flujo paralelo
a a contraflujo influye considerablemente tanto en la capacidad del cquipo necesario como
en el consumo de energfa.
Para un conjunto dado de condiciones reo
queridas, el contraflujo dan} par resultado un
mayor valor de la DTME que el flujo paralelo.
Esto quiere decir que se requerira un area
superficial menor (10 que representa un earnbiador de calor de menor tarnano). Esto se ilustra en el ejemplo siguiente.
Ejemplo 6.3 Con el fin de enfriar aire de 85 a
55°F, se desea utilizar un serpenrin de enfriarniento a base de agua fria, la cual entra a 40°F
y sale a 52°F. Determinar el valor de la DTME
tanto para la disposicion a contraflujo como
para el flujo paralelo,
134 I
Transferencia de calor
Tabla 6.2. Diterencia de temperaturamedia etectiva (OTME)
Oilerencia menor de temperatura, of
LL
o
.
",
;
:.
'
..
!
OJ
"0
~
n:J
E
co
'g
~
2
is
8
3
4
5
6
7
8
9
10
5.10
540
5.82
5.77
6.17
6.55
6.38
6.81
7.21
1.01
7.40
7.85
7.63
7.86
8 39
11
12
13
14
15
6.17
6.49
6.82
7.15
7.46
6.92
7.28
7.64
8.00
8.32
7.61
8.00
B.37
8.74
9.10
8.27 B.87 9.42 10.06
B.70 9.32 9.86 10.52
9.08 967 10.30 10.97
9.47 10.10 10.72 11.24
9.9a 10.52 11.13 11.70
16
17
18
19
20
7.77
8.08
8.37
8.67
8.95
8.66 9.46 10.22 10.86
8.98 9.Bl 10.61 11.26
9.31 10.15 10.96 11.65
9.63 10.49 11.30 12.04
9.94 10.82 11.67 12.37
9
10
11
12
13
15
14
16
17
18
19
20
B.OO 8.49 8.95 9.42 9.86 10.30 10.72 11.13 11.54 11.94 12.33 12.72 13.10
8.49 9.00 9.5B 10.06 10.52 10.97 11.24 11.70 12.14 12.57 12.99 13.39 13.92
8.96 9;58 10.00 10.49 10.97 11.43 11.89 12.33 12.77 13.19 13.61 14.02 14.43
10.49
10.97
1143
11.89
12.33
11.00
11.49
11.96
12.42
12.94
11.49
12.00
12.50
12.99
13.45
11. 96
12.50
13.00
13.48
13.91
12.42
12.99
13.48
14.00
14.58
1294
13.45
13.91
14.58
15.00
13.33
13.90
14.44
14.93
15.B7
13.79
14.45
14.90
1546
16.00
14.22
14.80
1535
15.90
16.46
14.65
1523
15.80
16.38
16.90
15.06
15.66
16.26
16.81
17.39
11.54
11.94
12.33
12.72
13.10
12.14
12.57
12.99
13.39
13.92
12.77
13.19
13.61
14.02
14.43
13..33 13.90
13.79 14.45
14.22 14.80
14.65 15.23
15.06 15.66
14.44
14.90
15.35
15.80
16.26
14.93
15.46
15.90
16.38
16.81
15.87
16.00
16.46
16.90
17.39
16.00
1629
16.98
1731
17.93
1629
17.00
17.51
18.07
18.51
16.98
17.51
18.00
1835
18.99
17.31
lB.07
18.35
19.00
19.23
17.93
18.51
18.99
19.23
20.00
21 9.25 10.25
22 9.54 10.56
23 9.82 10.86
24 10.01 11.16
25 10.38 11.46
11.15
11.47
11.79
12.11
12.43
12.00
12.35
12.6B
13.02
13.34
12.74
13.11
13.44
13.79
14.14
13.47
13.84
14.20
14.56
14.92
14.19
14.57
14.89
15.27
15.65
14.83
15.22
15.61
15.99
16.37
15.47
15.87
16.27
16.64
17.05
16.08
16.50
16.92
17.31
17.74
16.69
17.11
17.53
17.95
lB.35
17.26
17.71
18.12
18.55
lB.95
17.83
18.28
lB.72
19.15
19.58
18.35
18.B4
19.27
19.73
20.14
18.96
19.40
19.90
20.33
20.76
19.43
19.96
20.38
20.86
21.30
20.24
20.45
20.90
21.48
21.86
20.49
20.99
21.46
21.94
22.41
26
27
28
29
30
10.65
10.92
11.19
11.46
11 73
11.75
12.05
12.33
12.62
12.90
12.74
13.05
13.35
13.65
13.95
13.67
13.99
14.31
14.63
14.94
14.46
14.81
15.15
15.49
15.79
15.26
15.62
15.96
16.31
16.64
16.02
16.38
16.75
lrl0
17.46
16.75
17.11
17.48
17.85
1B.20
17.43
17.82
18.20
18.57
lB.94
18.11
18.50
18.89
19.27
19.64
18.76
19.20
19.55
19.94
20.33
19.38
19.79
20.20
20.60
20.99
20.01
20.42
20.83
21.24
21.64
20.60
21.01
21.44
21.85
22.27
21.20
21.63
2204
22.49
22.90
21.77
22.19
22.62
23 07
23.48
22.34
22.76
23.20
23.66
20.08
22.87
23.33
23.77
24.22
24.66
31
32
33
34
35
11.98
12.26
12.51
12.76
13.03
13.19
13.47
13.74
14.02
14.29
14.25
14.55
14.84
15.13
15.47
15.25
15.57
15.87
16.17
16.48
16.12
16.45
1675
17.0B
17.40
16.9B
17.31
17.64
17.97
18.29
17.81 18.56
18.11 18.91
18.46 19.26
18.BO 19.61
19.14 19.96
19.31
19.66
20.03
20.37
20.72
20.02
20.39
20.76
21.12
21.48
20.71
21.09
21.47
21.B5
2222
21.27
21.77
2218
22.53
22.92
22.09
22.45
22.83
23.22
23.60
2267
23.08
23.47
23.88
24.27
23.31
23.72
24.13
24.53
24.94
23.92
24.33
24.75
25.15
2558
24.50
24.94
25.35
25.79
26.19
25.10
25.53
25.96
26.39
26.80
36
37
38
39
40
13.28
13.53
13.78
14.04
14.29
14.56
14.83
15.10
15.37
15.63
15.70
15.99
16.27
16.55
16.83
16.77
17.07
17.36
17.67
17.95
1771
1B.Ol
lB.32
18.63
1B.92
lB.62
18.94
19.25
19.57
19.88
19.48
19.81
20.14
20.47
20.80
21.08
21.43
2178
22.13
22.46
21.85
22.20
22.55
22.91
23.26
22.58
22.95
23.30
23.67
24.02
23.30
23.66
24.05
24.41
24.77
23.90
24.37
24.73
25.12
25.49
24.66
25.04
25.43
25.81
26.19
25.33
25.72
26.11
26.50
26.89
2597
26.36
26.77
27.16
27.56
26.62
27.01
27.41
27.80
28.21
2722
27.63
28.04
28.45
28.86
20.30
20.64
20.97
21.31
21.64
Solucum En la figura 6.5 se muestran las dis-
posiciones de los flujos.
Para el contraflujo,
DTA = 85 - 52
DT'B
=
DTME =
=
33°F
55 - 40 = 15°F
33 - 15
33
In15
=
22.8°F
.
Para el flujo paralelo,
DT A = 85 - 40 = 45°F
DT B = 55 - 52
DTME =
45 -
3
45
=
3°F
=
15.5°F
En-
3
La disposicion a contraflujo puede asimismo perrnitir en algunos casos, una reduccion
de] consumo de energfa. Este punto se puede
ilustrar utilizando las condiciones mostradas
en Ia figura 6.5. Se observara que con Ia disposicion a contraflujo, la temperatura minima
posible a la que podria enfriarse el aire seria
de 40oF, debido a que el agua fria y el aire frio
se hallan en el mismo extremo del cambiador
,
,,
Objetivos I 135
Intercambiador de calor
!,'",COd':
~
:
!hsalida
te entrada-;>--r-t_-~""""""'--------""""""""""""'--"""-if----;-
I
B
A
I
te salida
Fluido caliente
------;r T 0
~':Flu~ido~rr~io
o
------l_X
B
Area
~
Area
total
(a)
=.........
Intercambiador de calor
--I~""_:
=--..=_"=""""=...........
=""""'=_""=_"'=--="_=........
=""""'=""""'=-..+:j ---310:C.........
_ ....
th entrada"""Jo-)O
te salida
I(
A
th salida
te entrada
B
C c)'v".
~------
o
---;r
_J_1B
Area
total
(b)
Figura 6.4. Perfiles de las temperaturas correspondientes al flujo paralelo y al contraflujo en un cambiador de calor (ambos fluidos cambian su
temperatura). a) Flujo paralelo. b) Contraflujo.
\
1.(
6,\"'!.' t u,)
f)
..
136 I Transferencia de calor
B
A
~
Area
a)
B
A
------...J
__
------1
55°F
52°F
-3>-
Area
b)
Figura 6.5 Diagrama correspondiente al ejemplo
6.3 a) Contratlujo. b) Flujo paralelo.
de calor. En la disposicion de flujo paralelo,
el aire solo se podria enfriar a 52°F. Si fuera
necesario reducir la temperatura del aire por
debajo de 52°F, podria ser necesario reducir
la temperatura del agua fria de suministro por
debajo de 40°F. Para poder obtener este valor,
podria ser necesario reducir la temperatura
de evaporaci6n en el enfriador de agua, 10 que
daria por resultado un aumento en la poten·
cia del compresor.
En el caso de los evaporadores y condensadores, Ia disposicion a contraflujo no constituye una ventaja, ya que el refrigerante se halla
(aproximadamente) a temperatura constante.
Puede hasta llegar a ser preferible el flujo pa·
ralelo en el caso de los serpentines de expansion directa, La caida de presi6n debido a la
friccion puede causar una Iigera disminucion
de temperatura en el serpentin. EI refrigerante auna temperatura mas elevada se halla por
consiguiente aparejado con el aire a mayor
temperatura en la entrada. Se obtiene un contraflujo terrnico, aun cuando la disposicion fisica es un flujo paralelo. Esta disposicion
puede, sin embargo, ser inconveniente, debido
a que no contribuye en forma considerable a
efectuar el sobrecalentarniento del refrigerante, puesto que el refrigerante que sale no recibe calor del aire que tiene una temperatura
mas alta.
POl'las razones expuestas, los serpentines de
agua fria utilizados para el enfriamiento de
aire, generalmente se conectan en una disposidon a contraflujo. En realidad, el flujo no es
meramente a contraflujo, debido a que en cada
fila de tubos el agua y el aire fluyen mutuamente en angulo recto. Esta condicion se conoce
como flujo cruzado. Sin embargo, la direccion
en general sigue siendo aproximadamente a
contraflujo. EI flujo cruzado constituye una disposicion cormin en el caso de algunas torres
de enfriamiento, tema que se discutira mas
adelante.
La ecuacion de transferencia de calor (6.5)
se utiliza solamente en aplieaciones especiales
con el fin de determinar la capacidad requerida de un cambiador de calor en los calculos
de refrigeraci6n. No es nada sen cillo determinar la conduetancia total, U. Es necesario efectuar un estudio adicional de la mecanica de los
fluidos para resolver el problema de esta rnanera. DidIO estudio queda fuera del alcance de
esta obra, y afortunadamente no es necesario.
En la mayoria de las aplicaciones, los fabricantes presentan la capacidad nominal y el funcionamiento de sus equipos en forma tabular
o grafica,
EI motivo pOl' el eual se menciona la ecuacion de la transferencia de calor y su importan cia, tiene dos fines. En primer lugar, es
necesario poseer esta informacion para poder
comprender de un modo adecuado los datos
que proporcionan los fabricantes. En segundo
lugar, se necesita para seleccionar el equipo
adecuadamente, teniendo en cuenta la censervacion de la energia. Ya se presentaron algu-
Objetivos / 137
nOS ejemplos al respecto,
y se presentaran
atin
mas.
Es asimismo necesario hacer notar
que Ia
transferencia de calor en los serpentines de enfriamiento en eI aire acondicionado, es todaVia mas compleja que en los enfriadores de
Jfquidos,ya que generalmente tiene lugar la deshumidificacion (condensacion del vapor de agua
en el aire). Los textos sobre aire acondicionado
cubren este tema de una manera mas apropiada.
Sin embargo, los fabricantes han simplificado los
procedimientos para calcular la capacidad de los
serpentines de enfriamiento de aire en las aplicaciones a la refrigeraci6n (ver capitulo 14.).
6.10 Funcion del evaporador
El evaporador constituye (junto con el condensador) un ejemplo del tipo de equipo conocido como carnbiador de calor. Tiene como
objetivo proveer una transferencia continua y
eficiente de calor desde el medio que se desea
enfriar, al fluido refrigerante. El medio que se
desea enfriar puede ser uri gas, un Iiquido, 0
un solido. El aire y el agua son las sustancias
que corminrnente se enfrian con los evapora·
dores. En los evaporadores mas comunes el refrigerante fluye por los tubos, mientras que el
aire que se desea enfriar fluye por el exterior
de los mismos. A estos tubos, construidos a menudo en forma de serpentines, se les llama la
superficie de transferencia de calor. Por sencil1ez, Ia explicacion que se presenta a continuaci6n de Ja funciori del evaporador, se
refiere a esta disposici6n en particular. No obstante, es preciso enterarse de que existen muchas otras disposiciones y construcciones de
evaporadores, y que el metodo de transferencia de calor es el mismo en todos ellos.
E] refrigerante entra a la tuber ia de] evaporador a baja temperatura y baja presion, como
resultado de la expansion que experimenta al
pasar a traves del dispositivo de control de flujo (figura 6.6). Una pequefia porcion del refrigerante se evapora, debido a la subita caida de
presion, enfriando elliquido restante, as! como
l
el propio gas de vaporizaci6n subita. La ternperatura del refrigerante se controla a uri valor deseado, por debajo de aquel al qu e se
desea enfriar el aire, median te la selecciori del
equipo apropiado y el uso de dispositivo s de
control. Debido a que el aire se encuentra a
una temperatura mas elevada que 1a del refrigerante, el calor fluye desde este aire, a rraves
de la superficie de transferencia de calor del
evaporador, hasta llegar al refrigerante.
El refrigerante liquido que entra al evapora·
dor esta a su temperatura de saturacion (ebullicion), Por consiguiente, hervira gradualmente
a medida que recibe calor del aire, al pasar por
el evaporador. En la mayoria de los tipos de
evaporadores, el refrigerante ya hirvio en su
totalidad al llegar a la salida del evaporador,
y en much os casos, puede ser hasta un vapor
sobrecalentado, dependiendo de cuanto calor
recibe y de cuanto refrigerante fluye.
6.11 Evaporadores de expansion
seca y evaporadores inundados
Una manera de clasificar los evaporadores es
segun la cantidad relativa de refrigerante en
forma de Iiquido y vapor que fluye a traves del
evaporador,
En el tipo de evaporador de expansion seca,
la cantidad de refrigerante alimentado par el
dispositive de control de flujo es justamente
la suficiente para que se evapore en su totalidad antes de salir del evaporador. La figura 6.6
muestra un ejemplo de este tipo de evapora·
dor, el cual utiliza un serpentin tubular a traves del cual fluye el refrigerante. Cuando se
utiliza un serpentin de esta manera, se trata de
un serpentin de expansion directa (ED). Constituye una caracteristica importante de este tipo
de serpentin, el hecho de que la pared del tuba
no esta completamente cubierta con refrigerante liquido. Cuando el refrigerante entra al
serpentin, ya se encuentra alii algo de gas de
vaporizaci6n subita, aumentando la propor·
cion de vapor a medida que el refrigerante
fluye. Debido a que la cantidad de vapor es
~.
fl.
138 I Transferencia de calor
Mezcla de refrigerants
Jrquido y vapor
Linea de succlon
al compresor
,
.,
'I':?U
"
Dispositivo de control de flujo
LInea del refrigerante
liquido procedente
del condensador
~){J
I.i;,pl
j!~:~r
~~1rl'
Figura 6.6. Condiciones y ffujo del refrigerante en
un evaporador de serpentin de expansion seca.
rim
!j::~~I:i
~l!t;li
!~J~
J,~I':
H~~~1"
grande y la cantidad de Iiquido es pequefia, el
liquido alcanza a mojar soIamente una parte
de la superficie del tuba; ei resto de la superficie solamente hace contacto con el vapor. Si
el refrigerante se sobrecalienta, una parte del
tubo del evaporador no se moja en absoluto.
La importancia de esta condici6n estriba
en que la transferencia de calor de la superficie del tubo al liquido es mucho mayor que la
transferencia al gas.EI uso efectivo de la superfifide que no se moja es mucho menor. Explicado de otra manera, se requiere una superficie
mayor, que en el caso en que se mojara una
mayor parte de la superficie del tubo, 0 mejor
aun, si se mojara toda ella.
Es posible remediar esta desventaja utilizando un evaporador inundado, como se ve en
Ia figura 6.7. La caracteristica esencial de este
evaporador, estriba en que el refrigerante H·
quido moja la mayor parte 0 el total de la
superficie de transferencia de calor. En la disposici6n particular que se muestra, el refrigerante liquido esta fuera de la tuberia, dentro
del casco. Se utiliza suficiente refrigerante de
manera que los tubos esten siempre surnergidos en el refrigerante liquido, asegurando que
se moje toda la superfieie de la tuberia. Elli-.
quido procedente del condensador entra a traves del dispositive de control de flujo, que
generalmente es una valvulade flotador. EI medio que se desea enfriar, un liquido, fluye por
dentro de los tubos. Las burbujas de vapor del
SALIDA DE SUCCION
D.E~REFRIGERANTE
PlACA PARA TUBOS
SALIDA DEL
UaUIDO
ENTRADA DEL
uouoo
CUBIERTA
ENTRAOA OEL
TUBOS
REFRIGERANTELlaUIDO
DRENAJEDEL
ACE!TE
Figura 6.7. Evaporador inundado del tipo de casco y tubas. (Reimpreso con permiso de Equipment
ASHRAE Handbook & Product Directory del ana
1979).
Objetivos I 139
refrigerante en ebullicion se desprenden del liguido en el espacio en la parte superior del casco y fluyen hacia la linea de succion. Este tipo
de evaporador inundado se conoce como un
evapomdor de casco y tubas inundados. Se usa a menudo en los sistemas de enfriamiento de liquidos de gran capacidad.
Evaporador de serpentin inundado. Tarnbien
de un arreglo de un evaporador
inundado, en el cual el refrigerante fluye por
dentro de los tubos, en vez de por fuera de los
mismos. A este tipo de evaporador se Ie conoce como euaporador de serpentin inundado (figura 6.S).
El refrigerante liquido sale del recibidor 0
condensador, pasa a traves de una valvula de
flotador a baja presion, la cual sirve como dispositivo de control de flujo, y se hace Ilegar a
un tanque de almacenamiento, llamado trampa de succion, acumulador, 0 cdmara de compensacion. EI gas de vaporizacion subita que se forma
cuando disminuye la presion del refrigerante
al entrar este al acumulador, se extrae por la
parte superior y fluye directamente a la linea
de succion del compresor. Solo refrigerante liquido entra al serpentin del evaporador. La
se dispone
I
i
f
Gas de succ16n(al compresor)
___
,SJ____"_
'Figura 6.S. Evaporador de serpentin inundado.
cantidad de refrigerante que circula a tr aves
del serpentin es mucho mayor que la necesaria para la carga requerida de refrigeraciori, de
manera que la pared del tubo se moja corripletarnerue con el Ifquido. Las burbujas de vapor
que se forman al hervir el refrigerante, no constituyen una cantidad suficiente para hacer contacto en forma significativa con las paredes del
tubo, considerando la gran cantidad de r efrigerante. El refrigerante liquido que no se evapora, se recircula nuevamente a traves del
acumulador, rnientras que el vapor se separa
en la parte superior del mismo y fluye h asta
la linea de succion.
EI evaporador de serpentin inundado es generalmente mas C05tosOque el tipo de serpentin de expansion directa. Es necesaria una gran
cantidad de refrigerante a fin de asegurar el
nivel apropiado de liquido, 10 que hace necesario proveer un acurnulador con su cor respondiente tuberia. Estos acumuladores no son
necesarios en los serpentines de expansion directa. No obstante, los evaporadores de serpentin inundado poseen evidentes ventajas de
operacion en los sistemas que trabajan a bajas
ternperaturas. Debido al gran espacio desti nado al vapor en el acumulador, es dificil que el
Iiquido penetre en la linea de succion. Es conveniente controlar el retorno del aceite al
compresor. Este se puede hacer retorriar directamente desde el acumulador, en lugar de hacerlo pasar a traves del evaporador.
EI sistema de serpentin inundado puede asimismo ser mas eficiente en cuanto al uso de
la energia. Es posible tener un menor diferencial de temperatura entre el fluido enfriado y
el refrigerante que se evapora. Una temperatura de evaporacion mas elevada represen ta
menos potencia en el compresoT.
En la disposicion que se muestra en la figura 6.S, la fuerza necesaria para hacer circular
el refrigerante a traves del serpentin inundado procede de la carga estatica del liquido en
el acumulador. A veces se u tiliza una bomba
para el refrigerante, a fin de activar Ia circulacion todavia mas, mejorando asi el torrente en
,'"
,
140 I Transferencia de calor
eI serpentin. Esta variacion del serpentin inundado se conoce como el sistema de sobrealimentacum de liquido.
6.12 Tipos de superficie de
los evaporadores
:-:.
,..
,,:.:...
:
Si bien probablemente existen cientos de formas y disposiciones diferentes de la superficie
de transferencia de calor del evaporador, casi
siempre pueden clasificarse en dos tipos: de
forma tubular 0 de placa.
Las superficies tubulares de transferencia de
calor se pueden subclasificar en tipos de tube
lisa y tuba con aletas (figura 6.9). Se utilizan las
aletas en los tubos 0 tuberias con el fin de
aumentar el area superficial, aumentando asf
la transferencia de calor por unidad de longitud del tubo. A la superficie comprendida por
las aletas se le llama superficie secundaria, y a
Ia superficie desprovista de aletas (tubo) se le
llama superficie primaria.
Cuando se Ie utiliza para enfriar el aire por
debajo de 32°F, el vapor de agua que se condensa del aire se congela y se acumula sobre
el tubo y entre las aletas. Con el fin de irnpedir la rapida obstruccion al flujo del aire entre las aletas, se limita el rnimero de estas por
unidad de longitud a aproximadamente cuatro 0 menos por pulgada. EI hielo que se forma tarnbien aumenta la resistencia terrnica a
Ia transferencia de calor. La descongelaci6n pe·
ri6dica resulta por tanto necesaria, tanto en la
construcci6n con tubo liso como en la tuber ia
con aletas, por debajo de 32°F, a fin de mantener suficiente refrigeraci6n. Los intervalos
entre la descongelaci6n pueden tener mayor
duraci6n en el caso de Ia tuberia lisa, puesto
que no existeuna obstruccion sistematica al flu-
jo de aire. EI tubo liso se usa a menudo en las
bodegas de refrigeracion. Sin embargo, aun en
este tipo de aplicacion, hoy en dia se utilizan
con mayor frecuencia los tubos con aletas,
debido .11 mucho menor espacio necesario
para el evaporador, y a su costo generalmente
menor.
Las aletas s610 resultan convenientes cuando existe una gran diferencia en el coeficiente de transferencia de calor de la pelicula entre
los dos fluidos. Las aletas siempre se colocan
en el lado que tiene la mayor resistencia termica, puesto que la superficie adicional cornpensa la mayor resistencia.
EI evaporador del tipo de placa (figura 6.10)
se construye con pasajes ahuecados en una placa plana, a traves de los cuales fluye el refrigerante. La construccion tipo de placa ofrece una
cierta superficie secundaria de transferencia
.de calor, adem as de ser conveniente cuando
se enfrian productos empacados en forma plana, y que hacen contacto con la su perficie de
la placa. Este tipo de evaporador posee la veriraja adicional de servir como un componente
estructural, como, por ejemplo, las paredes de
un refrigerador dornestico 0 de un estante reo
frigerado, cuando se le construye en forma
de caja. Enseguida se describen algunas disposiciones de evaporadores, tales como los de
serpentin de expansion directa, de doble tuberia, de casco y tubos, de casco y serpentin, y
el enfriador Baudelot.
6.13 Serpentin de expansion
directa (ED)
Este tipo de evaporador (figura 6.11) se utiliza
para enfriar el aire, tanto en el intervalo de
ternperaturas que cubre el aire acondicionado
fOOl
Ls2_gJ Figura 6.9. Algunos tipos de superficies tubulaALETAS ESPIRALES
ALETAS DE PLACA PLANA
res con aletas para evaporadores.
Objetivos I 141
requerido de hileras. Esta disposicion se utiliza en unidades de manejo de aire que utilizan
la conveccion forzada mediante un ventilador.
Se utilizan tambien formas especiales, como
cajas, a fin de ajustarse a aplicaciones convenientes de refrigeraci6n.
La longitud de la tuberia en una disposici6n
de un solo circuito esta limitada debido a que
la caida de presion aumenta con la longitud
del tuba y eI flujo del refrigerante. Al redrrcirse la presi6n de succion, resulta un aumento
en la potencia del compresor. Con eI firi de
mantener la caida de presion dentro de lim ites razonables, se utilizan disposiciones de circuitos multiples en paralelo (figura 6.12), en
todas las unidades can excepci6n de las mas
pequeiias.
En el caso de serpentines de circuitos multiples, se deben tomar precauciones a fin de
asegurar que una cantidad igual de refriger'ante fluya a cada circuito, yean la misma propor·
ci6n de liquido y de gas de vaporizacion subita
en cada uno de ellos, Habra una mayor caida de
presion en las lineas que alimentan a los circuitos mas alejados de la valvula de expansion,
10 que resultara en mas gas de vaporizacion
subita y una cantidad insuficiente de llquido,
rnotivando que ]a alirnentacion en algunos circuitos sea escasa. Adernas, existe el problema
TO
f
100
i) I
Figura 6.10. Evaporadores del tipo de placa. (Dean
Products Inc.).
como para temperaturas mas bajas. Se trata de
un evaporador del tipo de expansion seca, en
el cual una mezcla de Iiquido y vapor se alimenta pOI'los nibos, sin que haya recirculacion
de Iiquido. El dispositivo de control de flujo
es por 10 general una valvula de expansion termostatica 0 un tubo .capilar. La forma mas comun es la de un serpentin plano, con tubos
rectos y curvas de retorno, provisto del mime-
)
(
-
)
(
.___
(
"--
Figura 6.11. Serpentin de expansion directa (ED).
(Cortesia de Halstead & Mitchell, una division de
Halstead Industries, Inc.).
Figura 6.12. Ejemplo de dlseno de uri serpentin de
circuitos multiples (en paralelo).
..
...
....'.Pi.:_
142 I Transferencia
:
,.
i
de calor
de que debido a la mayor derisidad del refri·
gerante Iiqu ido. una proporci6n mayor de este fluya a los circuitos en la parte inferior del
se rpe nrin , y una proporci6n mayor de gas de
vaporizaci6n siibita alimente los circuitos de la
pane superior. Esto tambien causa una distribucion irregular. La alirnentacion
desigual de
los circuitos resulta en una redueci6n de la
capacidad, puesto gue algunos de los tubas no
se utilizan en su totalidad.
Con el fin de proveer un flujo igual de refrigerante liquido y de vapor desde la valvula
de expansion hasta cada cireuito del serpentin, se utilizan los distribuidores de refrigerante
(figura 6.13). El refrigerante liquido y el vapor
se mezclan perfectamente
en el cuerpo del dispositivo, y debido ague cada uno de los distribuidores tiene la misma longitud, tad as los
circuitos reciben una alirnentacion
iguaJ.
Los serpentines de expansion directa se
construyen par 10 general de rubos de cobre
can aletas de alurnin io, pero tarnbien se usa
tuberia de alurn inio, especialmente en el caso
de unidades pequerias.
6.14 Evaporadores de ventilacion
forzada
A los evaporadores gue se utilizan para enfriar
el aire, y que estan equipados can ventiladores
. ft
para hacer pasar el aire entre los serpentines con
refrigerante, se les llama evaporadores de ventilacion forzada: En este grupo de evaporadores
se incluyen unidades de enfriamiento, enfriadores
de productos, uuidades de aire acondicionado, serpen.
tines can uentilador y difusores de frio. No hay
uniformidad en cuanto al uso de estas denominaciones; a menu do se usan diferentes nornbres para la misma unidad. La construccion de
los evaporadores de ventilacion forzada varia
de acuerdo con el usa que se les da. En la figu
ra 6.14 se muestran algunos ejemplos. Es posible utilizar tanto serpentines de expansion
directa como serpentines inundados.
Cuando se desea evitar la deshidrataci6n 0
se desean niveles muy bajos de ruido, se utilizan velocidades muy bajas del aire (menores
de 300 pies par minuto).
Se utilizan velocidades medias (de 300 a 700
pies por minuto) en las aplicaciones generales
del almacenamiento en frio donde no tiene lugar un exceso de deshidrataci6n, y tarnbien en
los sistemas de aire acondicionado. En el caso
del aire acondicionado, las velocidades por encirna de este nivel dan por resultado que salga
agua condensada junto con la corriente de aire.
No obstante, se pueden utilizar eliminadores
del tipo de deflector para atrapar las gotas de
agua. Se utilizan velocidades muy elevadas (hasta 2000 Pl'M) cuando se desea alcanzar una
1-.:·
1'.;::.
Figura 6.13. Un distribuidor de refrigerante
para un serpentin ED.
I
E
~
Objetivos f 143
I
Figura 6.14. Ejemplos de evaporadores de venti lacion torzada. (Cortesfa de Halstead & Mitchell, una
division de Halstead Industries, Inc.).
II
It
transferencia de calor muy elevada, como en los
congeladores de rafaga, en los cuales se hace pa·
sar el aire a muy bajas ternperaturas y a altas
velocidades sobre los productos alimenticios
que necesitan corigelarse rapidarnente.
En lugar de utilizar serpentines secas, algunas
unidades de ventilacion forzada se modifican pa·
ra usarse can aspersoTes en los serpentines. Una
bomba, tuberias, y un cabezal can aspersores
forman parte de la unidad (figura 6.15).Al TOciar el serpentin can un liquido, se aumenta
la cantidad de transferencia de calor. Se utiliza agua cuya temperatura es superior a Ja temperatura de congelaci6n. Si se desea que el aire
144 I Transferencia de calor
Salida de aire frio -E-
Aspersores de la
salmuera
Serpentin OX
de enfriamiento
..
'... ",:.:.
"
'
.
:
.
.
Entrada ~:--;:::
de aire
:-....:
~I reconcentrador
de salmuera
Salmuera
.........
,.......--- ~}
Figura 6.15. Entriador de salmuera con serpentfn
ED, equipado con aspersores.
que haga contacto con el serpentin este por debajo de 32°F, se utiliza una soluciori de salmuera 0 de glicol.
6.15 Enfriadores de liquidos
..
;'[) Jj~
\:_:.r
l
EI tipo de evaporador conocido como enfriadol' de liquidos se utiliza para enfriar agua u otros
Iiquidos. Pueden ser del tipo de expansion seca 0 del tipo inundado. Entre ellos se incluyen
los enfriadores de casco y tubas, casco y serpent in,
de doble tuberia, y Baudelot. Sus diferencias estriban prirneramente en su construccion, para
adaptarse a la aplicacion deseada. Cada uno
de ellos se discute brevernente.
6.16 Enfriadores de casco y tubos
Este tipo consiste de un haz de tubos rectos,
dentro de un casco cilindrico. Puede ser del
tipo de expansion seca 0 del tipo inundado (figuras 6.16 y 6.17, respectivamente). Los tubas
individuales se apoyan en unas placas ubicadas en ambos extremos y a veces tarnbien al
centro. Los extremos del casco, conocidos corno cabezales, pueden formar una pieza integral con el casco 0 pueden removerse en el
caso de utilizarse una construccion de bridas
con torn illos. Los tubos se fabrican de materiales no ferrosos cuando se utilizan con refrigerantes de fluorocarbono. Se usa tuberia de
r
I
Objetivos f 145
I
1·1-llllt
II 1
c:::J
c=J
SALJDA DEL lIOUIOO
AREAS DE
AGUA
AfiEAS DE REFniGERAtnE
S_CtJ8IERTA
f
11
.'
._~.~
OH
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REFAtGERA/'JTe:
5AlIDAD~5UCC10"
Figura 6.16. Enfriador de casco y tubos del
REFMICiERAU1£
DESV1ADORES oH
UaUl0D
TUDOS
i
I
, l'LACAS
OIVtSOFlAS
mVISORA
DE:-LOS rASOS
DE LOS PA-SOS
cobre para el agua; cuproniquel y otros materiales para la salmuera. EI casco es general mente de acero.
En eJ enfriador de expansion seca (figura 6.16),
el refrigerante se alimenta desde una valvula de
expansion termostatica, y fluye por dentro de los
tubos. El liquido que se desea enfriar esta dentro del casco. Esre enfriador esta provisto de
deflectores, los cuales se extienden parcialrnente a traves del casco en forma altern ada. Los
deflectores obligan al liquido a fluir transversahnen te a todos los tubas, asegurandose as!
que hace contacto con todos ellas. Ademas,
tarnbien se aumenta la velocidad del liquido al
reducirse el area de flujo. Estos efectos aurnentan la cantidad de transferencia de calor.
El lado del refrigerante (la tuberia) se puede construir con una disposicion de un solo paso
(solo pasa una vez) 0 de pasos multiples, mediante la inclusion de separadores en los cabeza-
tipo de expansion seca, equipado con tubos rectos. (Tornado con permiso de Equipment ASHRAE Hendbook: & Product
Directory del ana 1979).
les. EI aumento del nurnero de pasos para una
cantidad dada de flujo del refrigerante ocasiona una mas alta veJocidad, y por consiguiente
un coeficiente mejorado de transferencia de
calor en ellado del refrigerante. No obstante,
esto se debe balancear contra el aumento de
la caida de presion al considerar los costos
la utilizacion de la energia. A veces se suministran los tubas can aletas interiores a fin de
aumentar el area de transferencia de calor en
eI lado del refrigerante.
Tarnbien se dispone de un enfriador de expansion seca del tipo de casco y tubos, el cual
utiliza tubos en U (figura 6.18). Los tubos se
fijan por un solo extrerno a una placa de soporte, 10 que les perrnite diJatarse y con traerse, haciendo as! que este tipo sea especialmente
adecuado a los sistemas de enfriamiento que
usan salmuera a baja temperatura. Si se utilizaran enfriadores de tubas rectos, podrian ocu-
r
SALIDA DE SUCCIOu
TUBOS
DRENNE
REFRIGERAt.fTE
L
DE ACEITE
Figura 6.17. Enfriador inundado del tipo de casco
y tubos. Debe .observarse que las conexiones de
purga y drenaje de aceite solarnente se utillzan en
los evaporadores de amoniaco. (Tomado can permise de Equipment ASHRAE Handbook & Product
Directory del ario 1979).
fPC'
ij.:
::1.
146 I Transferencia de calor
"
PLACA PARA TUe-OS
CllBlEATA
~AlIDA DEL uouioc
/OESVIIIOORES
TuBOS EN U
Figura 6.18. Enfriador de expansion seca del tlpo de casco y tubos, equipado can tubos en U.
(Tornado con perrniso de Equipment ASHRAE
Handbook & Product Directory del ana 1979).
.,
<
-,
~i,i
I ';,~
r ,
rrir esfuerzos muy severos al dilatarse y
contraerse los tubos, dentro del arnplio intervale de temperaturas.
Los enfriadores de expansion seea se utilizan ampliarnente para enfriar el agua en eI aire
acondicionado, con compresores reciprocantes
o de tornillo. EI eompresor, el evaporador
y los con troles pueden montarse y probarse en
la fabr ica. Esta cornbinacion
se con ace como
un enfriador integral de liquidos (figura 6.19). La
mayoria de las unidades utilizadas para el enfriamiento del agua se ofrecen hoy en dia como un idades integrales, a fin de reducir los
costos y asegurar una mayor fiabilidad. EI enfriador integral puede asimismo incluir un
condensador enfriado par agua.
En eI enfriador inundado de casco y tubos
(figura 6.17) el liquido que se desea enfriar fluye a traves de los tubos, y el refrigerante Iiquido en el casco. La cantidad de refrigerante es
suficiente para que todos los tubas queden sumergidos. de manera que Ia superficie de los
mismos se moje en su totalidad. Las burbujas
de gas del refrigerante evaporado suben hasta
la superficie y se separan delliquido. Se debe
proveer un espacio suficientemente
grande
Figura 6.19. Enfriador integral
para Hquidos. (Cortesia de
Dunham-Bush, lnc.).
Objetivos f 147
por encima de los tubos, para que en este se
acumule el vapor del refrigerante y se evite el
arrastre del liquido a la linea de succion. Ademas, se proveen a menudo eliminadores, a fin
de captar las pequeiias gotas de Iiqu ido. Estos
se componen de hojas traslapadas en forma de
Z,o de una malla que se extiende a traves del
casco.
Los dispositivos utilizados para el control
del flujo del refrigerante liquido estan constituidos por valvulas de flotador de alta 0 baja
presion, 0 pOTun orificio. Para asegurar la
igual distribucion del refrigerante en toda
la longitud del enfriador, se puede proveer un
canal colee tor a 10 largo del fondo del casco.
Algunos enfriadores inundados tienen una
bomba y un cabezal para rociar liquido a los
tubes y humedecerlos completarnente, evitandose as! la necesidad de utilizar tubos surnergidos. Esta disposicion se utiliza a veces a bajas
temperaturas.
Si se utilizan refrigerantes de fluorocarbon
en el enfriador, entonces par 10 general los tubas se fabrican con aletas integrales externas,
can el fin de aumentar el area de superficie. El
lado del agua (los tubos), generalmente se pue·
de obtener can una variedad de disposiciones
de pasos multiples, en donde el agua fluye a
traves de solo un gropo de tubos y pasa de un
lade a otro a atraves del evaporador (figura
6.7). Los pas os necesarios se crean separando
grupos de tubos, mediante divisiones en los cabezales. El mirnero de pasos se establece dependiendo de la cantidad de flujo del agua, a fin
de obtener una alta velocidad (y asimismo una
elevada transferencia de calor), limitada por
el aumento en la caida de presion debido al
numero de pasos. Los cabezales, llamados cajas de agua en los enfriadores inundados de
casco y tubos, son a menudo removibles, de rnanera que los tubos se puedan limpiar mecanicamente, 0 hasta reemplazarse. Esto reviste
mayor importancia en el caso de los enfriadores inundados de casco y tubas, que con los enfriadores de expansion seca, puesto que si el
agua se congela dentro de un tubo, es mas pro·
bable que 10 rompa, que si el agua estuv.iera
dentro del casco. Adernas, existe una mayor
probabilidad de que los contaminantes erisucien el circuito del agua que el circuito del reo
frigerante. Por consiguiente, es importante que
se pueda limpiar eJ interior de los tubos con
facilidad.
En los enfriadores de expansion seca, de casco y tubos, el tarnafio y la capacidad maximos
estan limitados debido a que la mezcla de liquido y vapor fluye a traves de areas de tuber ias
relativamen te pequefias, Esta restriccion no es
tan limitante en los enfriadores inundados, en
don de solo fluye un liquido por el tubo, a una
densidad promedio mucho mayor. Por tanto,
10 enfriadores inundados de casco y tubos se
aplican a sistemas de gran capacidad, y se combinan especialmente con compresores centrffugos. Este tipo de enfriador se describe con mas
detalle en el capitulo 10.
Alrededor del 90 por ciento de los enfr iadores de liquidos utilizados con los compreso·
res reciprocantes son del tipo de expansion
seca, debido a que su costo es mas bajo ya que
es mas dificil resolver los problemas del retorno del aceite en los ·enfriadores inundados.
6.17 Enfriadores de casco y
serpentin, de doble tubo,
Baudelot y de tanque
EI enfriador de casco y serpentin (figura 6.20)
tiene un serpentin de expansion directa y forrna helicoidal, deritro de un casco que con tiene el Iiquido que se desea enfriar. Su costa es
relativamente bajo comparado con el del enfriador de casco y tubas. Se usa para enfriar
el agua potable y otras bebidas, as) como en
aplicaciones industriales.
EI enfriador de doble tubo consiste de un
tubo colocado dentro de otro tubo. Un fluido
circula dentro del tubo interior, y otro circula
en el anillo exterior entre las paredes de los
dos tubos. Se construye por 10 general en una
disposicion plana con curvas de retorno. Su
costo relativamente alto y el acceso dificil a las
148 I Transferencia de calor
SAI.IOA DE
r:;r·HRAOADEl
SUCC1DNeEL
LlOVIDO
ENTRADA
on "OUA
5EAf'EUliN
CIACULAn EN
TAlICUE
--------<,
"-,
dos cerca de su punto de congelaci6n, ya que una
congelacion total no dana pOl' 10 general al equipo. Como este equipo trabaja al descubierto, pro·
vee asimisrno aereacion cuando esta es deseable.
Se utiliza para enfriar leche, asi como en otras
aplicaciones similares en la industria alimentaria.
EI enfriador del tipo de unique se com pone
de un serpenrin can refrigerante, inmerso en
un tanque rectangular. Se utiliza para enfriar
un liqu ido en los casos en que no tiene importancia la sanidad a la contaminaci6n. Se puede
utilizar para enfriar salmuera en e1 tanque. Esta
se hace circular por todo el tanque, el cual cantiene latas selladas llenas de productos tales
como helado.
Figura 6.20. Enfriador del tipo de casco y serpentin.
paredes de los tubes, limitan su uso a aplicaciones especiales.
EI enfriador Baudelot (figura 6.21) consiste en
una tuberia en forma de serpentin de expansion directa: los tubos se sinian horizontalmente, uno sobre el otro. Elliquido que se desea
enfriar se distribuye sobre el tuba superior, haciendo contacto can cada hilera de tubas, a medida que desciende par grayedad. Un canal en
el fondo recoge al liqu ido enfriado. Este tipo
de enfriador es conveniente para enfriar liquiENTRAOA
I
CANAL DE
OISTRIDUCI61l
~/J
tueEAJA QUE CO;'l{TrENE
SAlMUERA 0 REFR1GERANiE
_
CUelEATA:REMOVI8LE
PARA UMF'IEZA
6.18 Capacidad y seleccion de los
enfriadores de liquidos
Si bien las capacidades de los evaporadores,
como elementos individuales se pueden obtener
de los fabricantes, tambien es posible obtener las
capacidades nominales de las combinaciones
de enfriadores tipo integral, incJuyendo el
com presor, enfriador y condensador, ya sea
que este ultimo sea enfriado par agua 0 por
aire. La mayoria de las apiicaciones permiten
utilizar equipos integrales. Debido a su costo
total mas bajo y a la facilidad de instalacion,
es aconsejable u tilizar unidades in tegrales
siempre que sea posible. En esta seccion se presentan datos de las capacidades de un grupo
de pequefios enfriadores de Iiquido tipo integral, equipados con condensadores enfriados
por aire (tabla 6.3).
Ejemplo 6.4 Seleccionar un enfriador integral
adecuado para enfr iar 20 GPM de agua, de 55
a 45°F. La temperatura ambiente del aire es
de ioo-r.
Solucion Se utiliza la ecuaci6n 2.4, y se detennina que la capacidad requerida es _
·,'_.f)CL ...("I\~-\~ ~?.._ ~tr....
\).
Figura 6.21. Enfriador Baudelot (vista en secci6n).
T
GPM x
=
----=
24
!1
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~::
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\,
',
CT
20 x 10
24
2tlc.,<":,:.'i:;, )iJV
L.
=
8.3
t
Objetivos I 149
Tab!a 6.3. Capacidades nominales de enfriadores integraies enfriados par aire (60 HZ)3b
:.."
Basado en un interva/o de enfriamiento de 6° a 14°F
\··'\r~\,;"",~_.,,-.
-,-
Modelo
I
I
Temperatura ambiente, OF
--,-----+-
Temperatura
--,----
.----
_
REE
condici6n
--;-___
del agua
90°F
95cF
100°F!
105"F
110"F i
11S"F
I
I
de salida, ----~----'-i-,
---_____,'----+-L
----+1---OF
ToneJadas K.W. Toneladas K.W. iToneladasKW.roneladasK.W.(Oneladasl<.W}on!=/adasK.W.
ARPC-008S
42
44
45
46
48
50
6.3
6.5
6.7
6.B
7.0
7.4
7.6
7.8
7.9
7.9
8.0
8.1
6.1
6.3d
6.4
6.6
6.8
7.0
7.8:
8.0d'
B.O
B.1
8.2
8.4
5.8
6.1
6.2
6.4
6.6
6.8
8.0 I
B.1,
8.1
8.31'
8.4
8.6 i
5.6
5.8
5.9
6.2
6.4
6.6
8.1 I
8.2
8.3!
B.4!
8.6
8.8
5.3
5.6
5.7
5.8
6.1
6.4
B.21,
8.4.
8.5/
8.6:
8.8'
9.0 j
6.6
6.9
7.0
7.2
7.4
7.6
7.2
6.5
ARPC-008SSc
42
44
45
46
48
50
7,4:
7.4
7.5
7.7
6.8
6.9
7.2
7.4
7.4,
7.5d!
7.6!
7.6 :
7.8 i
7.9:
6.3
6.5
6.6
6.7
7.0
7.2
7.5
7.6
7.7
7.9
6.1
6.3
6.4
6.5
6.7
6.9
7.7
7.8
8.0
B.O
B.2
8.3
5.9
6.1
6.2
6.3
6.5
6.7
42
44
45
46
48
50
8.4
8.6
8.7
8.9
9.1
9.5
8.8
8.~:
9.0 i
9.1!
9.2 i
9.4
B.1
8.9 i
8.5d
9.1d
7.9
8.1
8.6
8.7
9.0
9.2
9.2'
9.3 i
9.5:
9.7
42
44
45
46
9.8
10.2
10.3
10.6
10.8
11.2
12.31:
12.6
12.7
12.8
13.1
13.6
9.5
9.8d
10.1
110.2
j10.6
'10.9
12.6 j 9.1 12;9 8.9
12.Sd' 9.6 13.2 9.1
13.0
9.7 13.3 9.4
13.1
9.8 13.4 9.6
13.4 10.2 13.7 9.8
13.8 10.6 14.1 10.2
45
46
48
50
11.9
12.4
12.7
12.9
13.3
13.8
13.2
13.4
13.6
13.9
14.1
14.4
11.7
i12.1d
i12.3
:12.4
113.0
:13.4
13.5
13.8d;
14.0
14.2
14.5
14.7
11.3
11.8
11.9
12.2
12.5
13.0
13.9
14.2
14.3
14.4
14.7
15.1
42
44
45
46
48
50
12.1
12.8
13.0
13.2
13.8
14.3
15.4
16.0
16.1
16.3
16.6
17.1
11.8
15.8
12.3d
16Ad:
12.4
12.9
13.2
13.8
16.6
16.7
17.0
17,4
11.3
11.8
12.0
12.3
12.8
13.2
16.1
16.6
16.7
17.1
17.6
18.0
42
15.6 17.6 15.2
16.2 17.8 15.7d
16.4 18.0 16.0
16.7 18.1 16.3
17.3 18.4 16.7
17.818.817,4
17.8
bcisica de
capacidad
ARI
5.2
5.4
5.5
5.6
5.8
6.1
8.3
8.5
B.6
8.8
9.0
9.2
9.5
7.B!
8.0,
8.1!
8.1 I
8.3
8.5,
5.7
5.B
5.9
6.1
6.3
6.5
8.0
8.2
8.3
8.4
8.5
8.8
10.7
7.4
7.7
7,9
8.0
8.3
8.6
9.6!
9.8i
10.01
10.1
10.21
10,41
I
7.3
7.5
7.6
7.8
8.0
8.4
9.8
10.0
10.1
10.3
10.5
10.7
13.0
13.3
13.5
13.6
13.9
14.3
8.6
8.9
9.0
9.1
9.5
9.8
13.11
13.41
13.6
13.71
14.1,
14.51
8.3
8.6
8.7
8.9
9.1
9.5
13.2
13.6
13.7
13.9
14.4
14.7
9.1
11.1
11.4
11.7
11.9
12.3
12.7
14.2
14.4
14.6
14.9
15.1
15.4
10.8
11.1
11.3
11.4
11.9
12.3
14.6 10.5
14.8 10.8
15.0 i 11.1
15.1 11.3
15.4.111.7
15.6112.0
14.8
15.1
15.3
15.4
15.6
15.8
10.5
10.8
11.3
11.6
11.9
12.3
12.9
16.4
16.8
17.0
17.2
17.8
18.2
1004
11.0
11.2
11.3
11.9
12.3
16.8 I 10.1
17.2110.5
17.4110.8
17.6 i 11.0
18.2111.4
18.6111.9
17.3
17.7
17.9
18.1
18.5
19.0
9.0
14.2 18.9 13.8 19.1 13.4
14.6 19.2 14.3 19.4 13.9
15.1 19.3 14.5 19.6 14.1
15.2 19.5 14.9 19.8 14.3
15.7 20.0 15.3 20.3 14.9
16.320.215.720.815.421.2
19.4
19.8
20.1
20.3
20.7
i
, 1
ARPC-010SSc
ARPC-010T
48
50
42
44
ARPC-015SSC
ARPC-015T
44
ARPC-020T
45
46
48
50
7.3. 6.7d
i
18.2d
18.4
18.6
19.0
19.2
8.6
8.1
9.2
9,4
",JL.!L,, __,_!;!,5
8.5 9.6
8.7 9.7
9.0 10.1
14.6 18.2
15.2 18.7
1504 19.0
15.6 19.2
16.3 19.4
16.719.8.
7.7 9.4
8.0 9.6
8.1 9.7
8.3 9.8
8.6 10.0
8.9 10.1
I
I
i
i
11.2
10.4
.'1
150 I Transferencia de calor
Tabla 6.3. Continuaclon.
Basado en un intervalo de enfriamiento de 6° a 14°F
REE
condici6n
beeice de
SO°F
95 F
100"F
105"F
110"F
115°F
capacidad
Toneladas K. W. Taneladas K. W. Ioneteoes K. W. Tone/adas K. W. Toneladas K. W. Tone/adas K. W.
ARI
Temperatura ambiente OF
Temperatura
del agua
de salida,
Modelo
ARPC·020SSc
OF
42
44
45
46
48
50
"i::
....:t·,
,
,',.J,
:~:.:j"::
,1
Q
17.1
17.6
17.9
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18.8
19.5
19.7
20.4
20.5
20.7
21.2
21.6
16.7
20.2
17.2d
20.6d
17.4
17.8
'18.4
1S.1
20.8
21.0
21.7
22.1
16.2
16.7
17.1
17.3
17.8
18.5
20.8
21.2
21.4
21.6
22.0
22.6
15.7
16.2
16.5
16.8
17.4
17.9
21.3
21.8
21.9
22.1
22.6
23.0
15.3
15.7
16.2
16.4
17.1
17.7
21.7
22.4
22.6
22.8
23.2
23.6
14.9
15.3
15.6
15.7
16.4
16.8
22.4
22.8
23.1
23.4
23.8
24.2
10.0
a Paracapacidades a una temperaturaambiente de 85°F, multiplicar las capacidades a 90°F ambiente par 1.03 x toneladasy 0.97 par kW.
Para capacidades a 50 hertz, reducir la tabla anterior, multiplicando par 0.85.
Todos los modelos con el sutijo S8 indican compresores sencillos D/B rnetricos, accesibles y herrneticos
d Condici6n basica de capacidad ARI: ambiente a 95°F, agua de salida a 44°F.
Cortesia de Dunham-Bush,Inc.
b
C
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~n la tabla 6.3, se halla una unidad Modelo
ARPC-OI055, la cual tiene una capacidad de
8.4 toneladas para las condiciones indicadas. La potencia requerida es de 9.5 kW.
6.19 La urilizacion de -la energia y
los evaporadores
Cuando se estudiaron los evaporadores, se hizo hincapie en dos factores generales que mejoran la utilizaci6n eficiente de la energia. Uno
de ellos es la prornocion de un aumento en la
transferencia de calor; el otro es el manteriimien to de la mas alta temperatura razonable
de evaporacion. Se observara que bajo una
de las circunstancias, estos dos factores se
oponen. Esto es, una manera de aumentar la
transferencia de calor del evaporador, consiste en incrementar la diferencia de ternperatura entre el medio que se desea enfriar y el
refrigerante que se evapora. Sin embargo, una
temperatura de evaporacion mas baja hace que
la potencia necesaria del compresor sea mayor.
Teniendo esto en cuenta, todavia es posible
enumerar factores especificos que aumentan
la transferencia de calor, sin disminuir la ternperatura de evaporacion. Esto quiere decir, en
efecto, que para una capacidad dada de transferencia de calor (refrigeracion), es mas elevada la temperatura de evaporaci6n, y se utiliza
menos potencia.
1. La disposici6n a contraflujo aumenta la
transferencia de calor con respecto al flujo
paralelo, puesto que la DTME es mayor.
2. La superficie (mojada) de un evaporador
inundado es mas efectiva que la superficie
de expansion seca, la cual esta solo parcialmente mojada.
3. Es posible mojar una superficie mayor, mediante la aspersion de refrigerante.
4. En un serpentin de expansion directa, se debe proveer un flujo igual a cada circuito mediante el uso de distribuidores.
5. EI mantenimiento de las superficieslimpias
evita la reducci6n del coeficiente de transferencia de calor.
6. El aumento del area de superficie, mediante.el uso de aletas 0 sencillamente con mas
tuber ia, aumenta la transferencia de calor.
7. Mediante el aumento de la velocidad del
fluido, se aumenta el coeficiente de transferencia de calor tanto en ellado del refrigerante como en ellado del aire 0 agua. En
Problemas I 151
I
,
I
los enfriadores
de liquidos, esta situacion
se logra aumentando
el rnirnero de pasos.
PREGUNTAS DE REPASO
1. Mencionar las tres rnaneras de transferir
el calor, y describir un ejemplo de cada
una de elIas.
2. ~CuaJ es la diferencia entre la conveccion
natural y la conveccion forzada?
3. Explicar los terminos: resistencia, conductancia, coeficientede pelicula, conductividad,y
factor de incrustacion.
4. Describir e ilustrar el flujo paralelo, el contraflujo, y el flujo cruzado de dos fluidos.
5. ~Cuales son las ventajas potenciales del
contraflujo? (En que situacion no se realizan estas ventajas?
6. (Cual es el objeto de un evaporador?
7. Explicar cual es la diferencia entre los evaporadores de expansion seca y del tipo
inundado. (Cuales son sus ventajas reo
Iativas?
B. (Cual es el objeto de una trampa de suecion (acumulador)?
9. (Que es un sistema de sobrealirnentacion
de liquido?
10. Explicar el significado de superficie primaria y secundaria de transferencia de calor.
11. (Cuaies son los tres tipos de superficie de
transferencia de calor? Discutir sus ventajas relativas.
12. (Que es un serpentin ED, y como esta construido?
13. (Cual es el objeto de los circuitos multiples? (Que problemas se pueden presen·
tar en los mismos, y como se resuelven?
14. Discutir las ventajas relativas de las altas
y bajas velocidades del aire a traves de los
serpen tines de enfriamiento.
15. Discutir las diferencias basicas de construccion y las ventajas relativas entre los
enfriado res de expansion seca y los enfriadores inundados del tipo de casco y
tubos.
16. Explicar que son los deflectores, las cajas
de agua, y los eliminadores, asi como su
funcion.
17. (Por que algunos enfriadores de expan·
sion seca se construyen con tubos en U?
lB. Discutir las caracteristicas y la aplicaciones
de los enfriadores de casco y serpentin, de
doble tubo, y Baudelot.
19. Discutir algunas maneras de reducir el uso
de la energia, mediante el disefio del e vaporador, su operaciori, 0 mantenimiento.
PROBLEMAS
6.1 Se requiere un aislamiento cuya resistencia terrnica tenga un valor de R = 20, para las
paredes de una camara frigorifica. Se dispone
de un material aislante cuya conductividad termica es de 0.30 Btu/hr.pie\!.oF, por pulg.
~Cuantas pulgadas de espesor debera tener el
aislamiento?
6.2 Un enfriador ED enfria el agua de 58 a
42°F. EI refrigerante se evapora a 30°F. HalJar
la DTME y com pararla con la DT promedio,
aritmetica.
6.3 Un serpentin de agua fr ia, en el cual el
agua entra a 44°F y sale a 52°F, enfria el aire
de 7B a 56°F. Hallar la DTME tanto para la disposicion a contraflujo como para el flujo pa·
ralelo.
6.4 Seleccionar en la tabla 6.3 un enfriador
integral para enfriar 25 GPM de agua de 56 a
42°F. La temperatura del aire ambiente es de
95°F. (Cual es el coeficiente de rendimiento
(CDR) y REE para estas condiciones?
6.5 Si en la unidad del problema 6.4 Ja ternperatura del aire ambiente es de 105°F, (cual
sera e1 aumento en el costo de operacion despues de 2,000 horas a plena carga, si el costo
de la energia electrica es de $0.10 por kilowatt
hora? ~Cmil es el CDR y el REE con la nueva
coridicion?
6.6 Un enfriador de salmuera tiene 118 pie2
de superficie de transferencia de calor y un coeficiente de transferencia total de calor de 20B
152 I Transferencia de calor
.
Btu/hr-pie2-OF, cuando enfria la salmuera de
24 a 6°F, con el refrigerante a - lOoF_ (Cmil
es la capacidad de enfriamiento en toneladas
de refrigeraci6n?
6.7 Hallar la resistencia terrnica total y el
coeficiente total de transferencia de calor para
un enfriador inundado con las condiciones siguientes:
Conductancia de la pelicula de refrigeran-
te, C, = 310 Btu/hr-pie2-oF
Resistencia de la pared del tu bo, Rw =
0.00035 hr-pie2-oF/Btu
Factor de incrustacion del agua, Rj = 0_001
hr-pie~-oF/Btu
Conductancia de la pelicula de agua, C1 ==
I 300 Btu/hr-pief _oF
La relaci6n entre el area de superficie exterior
e interior es de 3.6 a 1.0.
J
·Capitulo
CON DENSADORES Y TORRES
DE ENFRIAMIENTO
7. Sugerir algunas medidas para la coriservaci6n de la energia, al seleccionar y operar
condensadores y torres de enfriamiento.
En este capitulo se estudian los tipos, construccion, caracteristicas, y funcionamiento de
los condensadores de refrigerante y las torres
de enfriamiento. Tambien se estudia el tratamiento del agua en 10 que a estos equipos se
refiere.
7.1 Funci6n y operacion
del condensador
EI objeto del condensador en el sistema de
refrigeraci6n es remover calor del vapor refrigerante que sale del compresor (0 del generador
en un sistema de absorcion), de manera que el
refrigerante se condense a su estado liquido.
Entonces sera este capaz de lograr un efeeto de
refrigeracion por evaporacion.
EI condensador es un cambiador de calor,
10 mismo que el evaporador. En el condensador, el calorse transfiere del refrigerante a un
medio de enfriamiento, ya sea el aire 0 el agua.
Como sucede en cualquier transferencia de
calor, el medio enfriador debe estar a una temperatura mas baja que el refrigerante.
EI refrigerante siempre sale del compresor
a una temperatura muy superior a su tempe·
ratura de saturaci6n (de condensaci6n); esto
es, se halla sobrecalentado. En la primera parte
del coridensador tiene lugar la remoci6n del
calor sensible (el vapor se enfria hasta su temperatura de saturaci6n). A continuaci6n, la
remoci6n adicional del calor condensa gradualmeme el refrigerante (se remueve eI calor
OBJETIVOS
EI estudio de este capitulo permitira:
1. Explicar cuales son las principales caracteristicas de la construccion y las ventajas
relativas de los diferentes tipos de condensadores.
2. ExpJicar 'por que es necesario controlar la
presion de descarga, y describir los diferentes metodos de control.
3. Tratar problemas y soluciones correspon·
dientes a la operaci6n de condensadores y
tones de enfriamiento, en invierno.
4. Seleccionar un con dens ad or enfriado por
agua, un condensador enfriado por aire, una
unidad de coridensacion y una tone de enfriamiento.
5. Distinguir los diferentes tipos de torres de
enfriamiento y sus caracteristicas.
6. Analizar y dar soluci6n a la necesidad de
tratar el agua para las torres de enfriamiento.
153
154 I Condensadores y enfriamiento
130
u,
c
Ii
o
~
ill
c:
100
~
ill
OJ
.;;:
85
~
Qj
-0
~
:J
.::
Condensaci6n
Subenfriamiento
delliquido
Enfriamiento del gas
(efirnlnacion del
sobrecalenlamienlo)
iii
lii
c.
E
ill
I-
Entrada
Salida
Flujoa traves del condensador ~
Iatente). El tamario del condensador puede
ser justamente el adecuado, para que el refrigerante salga del condensador como un liquido
saturado a su temperatura de condensacion. Sin
embargo, en la mayorfa de los casos, la superficie de transferencia de calor del condensador
es suficiente para que el refrigerante liquido
se subenfrie por debajo de su temperatura
de saturacion, antes de salir del condensador. La
figura 7.1 ilustra la secuencia de estos eventos.
EI condensador debe remover todo el calor
adquirido por el refrigerante en eI sistema de
refrigeracion. Dicho calor consiste en el calor
absorbido en el evaporador (procedente de la
carga de refrigeracion) mas el calor que se
adquiere al comprimir el gas refrigerante. EI
calor removido se llama calor de rechazo.
'
....,-.
",;
H-~
7.2 Tipos de condensadores
Los condensadores de refrigerante pueden clasificarse en tres grupos, segiin el medio de enfriamiento utilizado, y la manera en que se
transfiere el calor a] mismo. Estos son el condensador enfriado par a.gua, el condensador enfriado
POT aire y el condensador euaporatiuo. Los coriden-
Figura 7.1. Remoci6n
del calor del refrigerante en un condensador.
sadores enfriados por agua y por aire utili zan la
capacidad de calor sensible de los fluidos de
enfriamiento. Esto es, eI agua 0 el aire aumenta
su tern peratura. El condensador evaporativo
utiliza principal mente el calor laterite de vaporizaci6n del agua. Las pequefias gotas de
agua se evaporan en el aire circundante. EI
calor adqu irido se toma del refrigerante.
En los tres tipos se utiliza el agua 0 el aire,
puesto que se puede disponer de elIos en cantidades suficientes a ningun coste 0 a un costa
razonable; y tienen propiedades fisicas deseables. En las secciones siguientes, se discutira de
manera mas detallada, cad a tipo de condensador.
7.3 Condensadores enfriados por agua
Los tipos de condensadores enfriados por agua
se pueden c1asificar segun su construcci6n: de
doble tuba, de casco y serpentin, de casco y tubas uerticales y de casco)' tubas horizon tales. Cada uno
posee caracteristicas que 10 hacen adecuado a
ciertas apiicaciones ..
Los tubos de acero constituyen el material
utilizado en los condensadores de amoniaco,
puesto que el cobre y el amoniaco reaccionan
Objetivos I 155
qulmicamente.
La tuber ia de cobre se utiliza
con los halocarburos cuando el agua dulce es el
medic de enfriamiento. Otros materiales no
fenosos, que son mas resistentes a la cerrosion, se utiJizan con agua salada. A menu do, con
los refrigerantes halocarburos se utilizan tubos
provistos de pequefias aletas integradas, para
aumentar el area de superficie en el lado del
refrigeran teo
En los condensadores enfriados por agua, el
agua de alimentacion puede usarse una sola vez
o puede hacerse recircular. Cuando el agua
se usa una sola vez, esta proviene en suficiente cantidad de un suministro perrnanente, y se
desecha luego de pasar a traves del coridensador. El surninistro puede tomarse de la red
urbana, de un rio, lago, 0 de pozos. En el caso
del agua de la red urbana, existen por 10 cormin
restricciories que limitan su uso a cantidades
muy pequefias.
En la mayoria de los casos no se dispone de
una provision adecuada de agua para utilizarse una sola vez, y debe recircularse. Con este
fin, el agua debe enfriarse nuevamente despues
de que sale del condensador. Esto se Iogra utilizando el efecto de enfriamiento que se obtiene
con la evaporacion de una pequefia cantidad
del agua. Generalmente se utilizan las torres de
enfriamiento para efectuar esta evaporacion, si
bien ocasionalmente tarnbien se utiliza un estan que de enfriamiento.
ENTRADA DEL VAPOR
AEFRIGERANTE
SALIDA DEL AGUA
DE ENFRIAMIENTO
!
=i~~~~~~~~~~~~
ENTRADA DEL
AGUA DE
ENFRIAMIENTO
SALIDA DEL
REFRIGERANTE L[OUfDO
Figura 7.2. Vista en secci6n de un condensador de
doble tubo,
Otro tipo de condensador de doble tuba
se construye de tramos rectos de tubo, con
cabezales y placas tenninales rernovibles (fi-
VAPOR REFRIGERANTE
DEL COMPRE50A
\
7.4 Condensador de doble tubo
Este condensador se compone de dos tubos, uno
dentro del otro (figura 7.2). EI agua de enfriamien to se hace circular por la tuberia interior,
y el refrigerante por la tuberfa exterior. De esta
manera se transfiere calor adicional del refrigerante al aire ambiente que rodea al condensador, reduciendose as! el diarnetro del tubo.
Una construccion compacta consiste en un
serpentin circular de doble tuba (figura 7.3). Su
costa es reducido, pero los tub os no se pueden
limpiar mecanicamente.
Es preciso utilizar
un limpiador quirnico.
SALIDA DEL AEFRI·
GEAANTE UOUIDO
Figura 7.3. Condensador de serpentfn de doble tubo.
156 I Condensadores y enfriamiento
ENTRADADEL GAS
REFRIGERANTE
SALIDA DEL
REFRIGERANTE
LlaUIDO
.
H
Figura 7.5. Condensador de casco y serpentin (tipo
vertical).
:-.'
Figura 7.4. Condensador de doble tubo con placas
terminales removibles para pader efectuar la limpieza
mecanlcamente.
gura 7.4). Esto hace posible limpiar los tubas
interiores con herramientas rnecanicas de limpieza.
Siempre se debe utilizar una disposici6n
a contraflujo en el condensador de dcble tubo,
can el fin de aurnentar la transferencia de
calor. Este tipo de condensador se puede obtener can una capacidad de hasta 20 toneladas.
..L..
,c-
7.5 Condensador de casco .
y serpentm
mente 15 toneladas, ya sea en el tipo vertical
o en el horizon tal. EI ti po vertical resulta conveniente cuando el espacio util es limitado.
7.6 Condensador horizontal de
casco y tubo
La construccion de este tipo de condensador
es semejante a la del evaporador de casco y
tubos. Consiste de haces de tubos rectos contenidos en un casco. EI agua de enfriamiento
fluye par los tubas. El gas refrigerante enti-a
par la parte su perior del casco. A medida que
se condensa, desciende par gravedad al fonda,
en donde esta la salida (figura 7.6).
I.":"
Fi;
.
:... -::
Este tipo de to~densador e~friado par agua
consiste de uno a mas serpentines continuos
en forma de espiral, dentro de un casco cilindrico (figura 7,5). El gas refrigerante caliente
entra par la parte superior del casco, y el Iiquido condensado sale par la parte inferior del
mismo. La tuberia en forma de serpentin no se
puede limpiar mecanicamente. La construccion
de casco y serpentin es mas sencilla y menos
costosa que la de casco y tubas. Se puede obtener can una capacidad de hasta aproximada-
ENTRADADEL GAS
IREFRIGERANTE . DESVIADORES
Figura 7.S. Condensador horizontal de casco y tubas.
Objetivos J 157
Los tubos se apoyan en unas placas verticales ubicadas en ambos extrernos. Los cabezales
del casco, llamados cajas de agua, se pueden
obte ner con separaciores,
de manera que sea
posible seleccioriar
diferentes
disposiciones
de pasos de agua. Esto pennite que el agua tenga
altas velocidades
para un flujo determinado,
a fin de aumentar
la transferencia
de calor.
Los cabezales de las cajas de agua son rernovibles, de manera que los tubos pueden limpiarse mecan icamerite. ESla es una caracteristica
importante y deseable del condensador de casco
y tubos. Puede obtenerse con capacidades des de
aproximadamente
5 hasta miles de toneladas.
La disposicion
muy cercana de los tubos
da por resultado una gran capacidad en equipos ffsicamente compactos. EI fondo del casco
sirve de almacenamiento
para el refrigerante
liquido, de manera que no se requiere un recibidor, a menos que se necesite con otros fines.
7.7 Condensador vertical
de casco y tubo
Este tipo de condensador se utiliza en algunas plantas de amoniaco. Tiene una entrada
libre para el agua en la parte superior del condensador. EI agua de enfriamiento se bombea
hasta la pane su peri or, y desciende por gravedad, por los tubos verticales a un colector. EI
gas refrigerante entra por un costado del casco,
a la m itad, y el liquido condensado se drena
por el fondo (figura 7.7).
La construccion abierta del condensador
vertical perrnite limpiar los tubos sin tener
que parar el sistema. Otra caracteristica deseable es que la capacidad se puede aumentar
bombeando mas agua, sin que el aumento en la
perdida de la carga estatica debido a la friccion
obligue a aumentar la potencia de la bomba.
7.8 Purga
Un problema importante en los sistemas de
refrigeracion, especialmente en aquellos que incorporan condensadores de casco)' tubos err-
,.....;;-Entrada del agua
de enfriamiento
Entrada del gas-::refrigerante
Salida del agua de
enfriamiento -E-
Figura 7.7. Condensador vertical de casco y tubos.
friados por agua, 10 constituye el efecto sabre
el funcionamiento
y la posibilidad de Corrosion causada por la presencia de otros gases
diferentes al vapor refrigerante-La principal
fuente de estos gases es el aire, el cual puede
introducirse
al sistema cuando este perma·
nece inactive, () introducirse en algunas partes
del sistema, si estas trabajan a una presion menor
que la atrnosferica. Los gases indeseables en el
sistema pueden clasificarse en no condensables
o sea aquellos que no pueden condensarse enfriandolos por los medios disponibles, y los
condensables. EI oxigeno yel nitrogeno presentes en el aire son ejernplos de gases no corrdensables. El vapor de agua presente en el aire es
un ejemplo de .un gas condensable.
Los gases no condensables emigran y se acumulan en la parte superior del casco del condensador. Como sucede con cualquier gas, estos
gases ejercen una presion. Esto eleva la presion
del condensador, 10 que da por resultado un
aumento de la potencia requerida por el compresor. Los gases pueden asimismo reducir el
coeficiente de pelicula de transferencia de calor
en los tubos. Algunos gases pueden corroer
partes del sistema.
158 ( Coridensadores
y enfriarniento
Tanto los gases no coridensables como los
condensables deben extraerse mediante un
procedimiento de jJwga. Esto se puede haeer de
manera manual 0 autornatica, mediante u na
conexion a Ja parte superior de los condensadores de casco y tubos. Al efectuarse la purga, inevitablernente
se extrae tambien refrigerante en
forma de vapor. Este vapor se recupera par
condensacion y despues se separa de los gases
no coridensables.
Esto se logra can u n dispositivo lIamado unidad de purga (ver el capitulo
10). En el caso de los sistemas de gran capacidad
que operan a una presion inferior a la atrnosIerica, es necesario realizar una purga periodicu. Cuando se trata de un idades de poe a
capacidad que operan a presiones elevadas,
gcncralmente no es necesario efectuar una purga periodica. Si al cargar eI sistema par primera
vez, () despues de haber sido reparado le enIra aire, este puede expulsarse manualmente.
Figura 7.8. Condensador enfriado par aire utilizado en los refrigeradores dornestlcos(tipo de tiro natural con aletas de alambre). (Frigidaire Co.)
7.9 Condensadores enfriados por aire
EI condensador enfriado por aire generalmente
se constru ye de tu bos con aletas dispues tos en
hileras de serpentines. EI refrigerante fluye par
los tubas y el aire fluye en direccion cruzada
entre los mismos. Las aletas se utilizan debido
al bajo coeficiente de transferencia de calor en
el lado del aire.
Los condensadores pequenos enfriados por
a ire, que no tienen ventiladores, dependen de
la convecci6n natural del aire caliente para
que este fluya. Se tiene como ejemplo el corrdensador utilizado a men ucla en los refrigeradores
dornesticos (figura 7.8). La tuberia de los mismos
se fabrica par 10 cormin de acero, con aletas de
alarnbre tambien de acero, cuyo costo es inferior al del cobre. Se permite utilizar acero,
debido a que a este condensador se Ie mantiene
bajo techo, y no esta sujeto a la corrosion:
Objetivos I 159
Figura 7.9. Disposlclon tipica de un condensador
enfriado por aire, con tiro forzado.
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"
'_,
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..._" -; ~:.",:
La mayor parte de los condensadores enfriados par aire tienen ventiladores (convecci6n
forzada) para aumentar el flujo del aire, y mantener al minima e] tamario del condensador. Estos
condensadores pueden construirse con flujo vertical u horizontal del-aire (figura 7.9). EI viento
no afecta a las unidades de flujo vertical. Las unidades de flujo horizontal deben orientarse teniendo en cuenta los vientos que pr~val_ec~ren el
verano. En cualquier caso, es conveniente que
:
estas unidades cuenten con desviadores devien<:~:':~-;~:':i'6':
'p'ara"~yi'tar',suarqu,i~~~ef~ftB :de·.Yi~~~~~.·jd,
versos.
La ruberia de cob_re'c&n aletas:de alu:miriio
se utiliza par 10 cormin cori.loshalocarburos.
La cubierta estructural se fabrica'de acero galvanizado a aluminio. Los ventila'dores pueden
ser del tipo axial, 0 del tipo centrifuge, de pen·
diendo de la resistencia del aire. Estas unidades
se instalan por 10 cormin en el exterior; a menudo en el techo. E1 ruido de los ventiladores
puede constituir un problema serio, ru~nd~ eI
condensador se localiza cerca de los espacios
habitados.v'<-v=" -'
Los co ndcnsadores de conveccicn forzada,
enfriados par aire, se fabrican con capacidades
que varian entre aproximadarnente 5 a 500.to·
neladas. Tienen una gran aceptacion debido a
que su operacion es sencilla, no necesitan agua
ni torre de enfriamiento, los problemas de corrosion son rninimos, y funcionan en irrvierrio
(con un control de 1£1 presion de descarga), sin
problemas de corigelacion del agua. Su casto inicial es por 10 comun mas bajo que el de
otros tipos. Sin embargo, son ineficientes en
cuanto al consumo de energia, Por 10 general,
el agua se obtiene en.verano a una tempera. tura considerablernente
mas baja que la del
aire ambiente. Por consiguiente, una unidad
de refrigeraci6n enfriada por aire tiene par 10
cormin, una' temperatura de condensaci6n mu·
cho mas elevada que una unidad enfriada par
agua 0 una unidad evaporativa, y requie re una
potencia del compresor considerablemente
mas alta. Esto se cornpensa en parte can el
ahorro de' energia que se obtiene al no- u.tili~·
zarse 'bomba alguna.
r: .•
7.10 Condensadores evaporativos
EI condensador evaporative transfiere calor
'principalinente
por el efecto de enfriamiento
causado por el agua que se evapora. E;n la n
gura 7.10 se muestra un diagrama esquemarico de este condensador.
Operacion. EI agua se bombea a un cabezal, y.
mediante unas espreas se atomiza sobre el serpentin de enfriamiento. EI calor del re:fi=igerante
evapora el agua al aire circundante. EI aire am"
biente se hace pasar a traves del condensador
mediante un ventilador. El contenido de vapor
de agua (la humedad) del aire aumenta a medida
que recoge el agua evaporada de la arornizacion. EI aire humedo se descarga a la atmosfera.
El agua atomizada qlle no se evapora se recoge en un recipiente 0 col ector ubicado en el
fondo del condensador, y se recircula. EI aire
fluye a una velocidad bastante alta, y reco~ge las pequefias gotas de agua. A finde reducir
al minirno Ia perdida de agua, Ilamada arrasire, se proporcionan
deflectores eliminadores
a traves de la salida del aire. Estos deflectores
se construyen de laminas en forma de S, can
160 I Condensadores y enfriarnieuto
agua
Cublana de
tamlna do eenrn
galvanlzada
Rbrn de
vi9r!<? mt;>lponda
r"
C<lmpuon.de
• bro "" ';dno mddead. {ablurta
cuandc opera el
ventllador]
Compuona do
fib,. do IIldrio
moldo.dn
(Ctlrradn euandc
., venllioda,
asln porodo)
VM\l\Jla do
nolador del agua
de r.pooleion
Modul.dOf dDI.
capaeldud [es
opeional 01 contrel termOO1illico)
Venlilador
Aula dol .Ir.
Construccion. La tuber ia del serperitin de condensaci6n se fabrica por 10 cornun de acero 0
cobre. No se utiliza Ia tuberia can aletas, debide a que la transfercncia de calor es fiUY
elevada. Adernas, es muy dificil remover la
incrustaci6n en una tuberia con aletas. Las
cubiertas sefabrican a menudo de acero galvanizado. Se utilizan ventiladores centrifugos
debido a que la caida de presion a traves de
la unidad es considerable. Los ventiladores
se pueden instalar para obtener una circulacioi,
de aire, ya sea pOl' inyeccion a pOl' succi6n. Si
se colocan en la salida del aire (succion del ventilador), los ventiladores deben construirse de
materiales capaces de resistir los efectos cerrosivos del aire cuyo contenido de humedad es
considerable.
Los condensadores evaporativos se construyen con capacidades de hasta 200 toneladas.
Se instalan pOl' 10 cormin en el exterior, pero
pueden instalarse bajo techo mediante la e tilizacion de ductos. En la figura 7.11, se muestra
una unidad [_pica.
~r~:~~~~
la tuborls so sumlnlstran Inn10100"")
Figura 7.10. Disposici6n de un condensador evaporativo. (Cortesia de Dunham-Bush, Inc.).
las que el agua choca y se escurre por efecto
de la gravedad;
La mayor parte de la transferencia de calor
tiene lugar par la evaporacion del agua que pas a
a la corriente del aire circundante, y una pe·
queua parte tiene lugar par el efecto del calor
sensible. La transferericia de calor por unidad
de; area de superficie es mucho mayor que
cuando se rrata de condensadores enfriados
pOl' aire, debido a que el coeficiente
de 1a pelinda de liqu ido es mayor que el del gas. Esto
cia pOl' resultado que los condensadores
evaporativos requieran menos tuber ia. Esto,junto
con el uso de venriladores centrifugos, perrnite
que S11 tamano fisico sea menor que el de los
condensadores enfriados par aire.
Figura 7.11. Vista de un condensador evaporative
(Cortesia de Dunham-Bush, lnc.),
Objetivo s / 161
Perdida
y reposicion de agua. EI agua de un con-
densador evaporative se pierde de tres mao
neras. Primera: el agua se evapora debido al
efecto de enfriamiento. Segunda: la corr iente
de aire existente arrastra consigo algunas go·
las de agua. A este ti po de perdida se Ie llama'
perdida por arrastre. Por ultimo, intencionalmente se extrae del deposito una cantidad adicional de agua, a un regimen constante. A esta
operacion se le llama purga. Esta agua se extrae
para evitar una acurnulacion
excesiva de rninerales, los cuales ocasionan forrnacion de
incrustacionesen las superficies donde se efeclila la transferencia de calor. Solo el agua pura
se pierde por evaporacion, pero el agua de
reposicion contiene minerales. Por 10 tanto, el
contenido de minerales aurnenta con el tiempo.
La purga adicional remueve el agua con un
contenido excesivo de minerales, manteniendo
asi la concentracion de los mismos a un nivel
razonable. Esto no excluye, sin, embargo, la
necesidad de darle tratarniento al agua.
El agua de:repqsicio'! para. r;epone,r e~t1s perdidas, se alirnenta automaticarnente al deposito,
medi~nte una ~alvula de flotador que s~ abre
cuando deseiende el nivel del Iiquido. Puesto
que la cornbinacion total de los tres efectos
equivale a aproximadamenteun 4 porciento del
agua que se recircula, y esta cantidad es apro·
ximadamen te de 1.5 GPM poi- tonelada para
mojar los tubos adecuadamente, se requiere
aproximadarnente
0.06 GPM de agua por tonelada para la reposicion. Esta es aproximadamente la mitad de la cantidad requerida en los
sistemas provistos de un condensador enfriado
por agua y una torre de enfriamiento.
Comparacion de los condensadoresevaporativos can
los condensadores enfriados por agua. El con densador evaporativo es mas compacto, y par 10
general menos eostoso que la cornbinacion del
condensador enfriado por agua y la torre de
enfriamiento. La potencia requerida par el
compresor es aproximadamente la misma para
ambos. La potencia requerida para el bombeo
es menor en el caso del condensador evapora-
tivo por dos razones: El flujo de agua e s mas
reducido y la carga estatica de la bornba es
menor, debido ala menor longitud de la tuberia. Sin embargo, los condensadores evaporativos estan mas sujetos a la formaci6n de
incrustaciones y a la corrosion, por 10 que el
mantenimiento que se proporeiona para reducir estos problemas es de vital import ancia.
En una torre de enfriamiento, el !lgua solo
hace coritacto y se evapora al aire libre, rn ientras que en un condensador evaporati vo, el
aire y el agua hacen contacto con la tuber ia de
transferencia de calor, de I\) eual resulta la po·
sible corrosion, y formacion de incrustaciories.
Compara Cion, de los cOlldell~adoresevaporativos
can los condensadores enfriados por aire. La mas
baja temperatura ala cual se puede enfriar el
agua por evaporaciori, es la temperatura ambrente de bulbo humedo (BH). La temperatura
de bulbo hurnedo es la temperatura a la cual
se enfria el aire en el cual se eva po ra el agua,
hasta que el misrnoalcanza una coridici on en
la cual esta cornpletamente saturado de vapor
de agua.
"
En un condensador evaporative, el agua se
enfria hasta que:,su temperatura llega a unos
cuantos grades de la BH." Esta temperatura
es considerablernente mas baja que Ja del aire
ambiente en eJ verano.De aqui resulta que las
temperaturas decondensacion de los condensado!<:.~.
evaporativos (y de los condensadores
enfriados por agua, con torres de enfriamiento)
por 10 general son de 15 a 20°F mas bajas que
las de los coridensadores enfriados por aire.
En consecuencia, se requiere una potencia del
compresor significativamente menor. En la
tabla 7~1,se eomparan las cantidades de eriergia que requieren los tres tipos de condensadores.
La corrosion, las inerustaciones y la posible congelaci6n del agua son problemas por
los que se debe proporcionar un mantenirniento
riguroso a los condensadores evaporativos. Estos
problemas no existen en el caso de los coridensadores enfriaclos por aire.
162 I Condensadores
y enfriamiento
Tabla 7.1 Cornparacion del funcionamiento de los condensadores (tipicos)
Patencia al
compresor,
kWI(onelada
a 40°F TSS
Temperaturade Temperaturade Temperaturade
entrada, of
salida, of
candensaci6n, of
Tipa de
candensador
95
105
95
108
105
120
0.93
0.93
1.14
110
123
135
1.42
85
Enfriado par agua
Evaporativo
Enfriado par aire
Operacion ell inuierno. Si el sistema se debe
operar a remperuturas ambiente' por debajo del
PUIH() de con~elaci()il. y si ndemas el condensador evapor.nivo se encuentra a la intemperie,
(;'sneresario tornur precauciones especiales. Un
rcrurso ronsiste ell proveer una fuente de calor
(.'11 el deposito. Ot ra solucion consiste en colornr till tanque auxiliar en lin espacio interior
caliente. deba]o del condensndor instalado en
techo, de muneru que el agua fluya continuamente del deposito al ranque interior.
.
Ex iste loda,:ia otra solucion, la cual consiste en operar el conoe;lsador evaporative con
ei
un serpentin seco en el invierno. Esto es, se
drena el agua del sistema, y asi funciona como'
1II1 condensador enfriado par aire. Puesto que'
la capacidad de la unidad es mucho menor al
operar con un serpentin en seeo, se debe cornprobar si esta capacidad es adecuada para la
carga de refrigeraci6n calculada.
Subenfriamiento. E1 subenfriamiento del refrigerante; el cual por 16 genera) es conveniente,
puede lograrse de "arias maneras, El serperrtin puede agrandarse 10 suficiente para manejar
la transferencia adicional de calor, 0 se puede
"
Condensador
....-_.
"
,
,',:.'
=:
,;
~jl!!~'
dJw, j'
Serpentin de ./
'condensacio n
.
Enlrad a de vapor
~
)
:
(
;.'
'.
_Se:penlin de
'.;
avaporalivo
~
~'.
-K
Salida
subenfriamien 10
t
t
~'.n1jH~·
Recibidor
Figura 7.12. Disposicion de un serpentin de subenfriamiento de condensador en el lado de descarqa
del recibidor.
'de Hquido
subenfrlado
Objetivos I 163
proporcionar
un serpentin subenfriador
por
separado. Este serpentin puede instalarse del
Jado de entrada del aire, de manera que pueda
hacer contacto con el aire 0 el agua mas frios.
El serpentin puede asimismo colocarse surner-
gido en el deposito. Cuando se utiliza un setpentin de subenfriamiento,
debe instalarse
despues del recibidor (figura 7.12). Si el liquido
subenfriado se conducehacia el recibidor al salir
del condensador, puede recalentarse en el recibidor caliente, dando por resultado una vaporizacion subita en la linea del liquido.
7.11 Control de presion en
el condensador
La presion del condensador 0 de descarga,
cambia con Ia carga de refrigeracion y con la
temperatura y el regimen de flujo del medio
de enfriamiento, Si la carga de refrigeracion
aumenta, aumentara asirnisrno 1a cantidad de
refrigerante que fluye a traves del condensador,
Esto eleva la presion: de condensacion <~escarga)
y por tanto, laternperatura de condensacion.
Una 'tern peratura .elevada de condensacion dara
por resultado una' disminucion de lacapacidad
del sistema: un aumento ep fa potencia del
cornpresor, y una posible sobrecargadel motor
del cornpresor. Esto puede perjudicar tanto al
compresor como al motor. Los dispositivos de
seguridad pmtegen ala unidad contra el aumento
de la presion de descarga.
Una disrninucion de la carga de refrigeracion dara como resultado elefecto opuesto en
la presion. E1.dispositivo de control de flujo
restr inge el flujo a traves del sistema. Entra
menos iefrigerante alcondensador y disminuye
la presion de condensacion, as) como la temperatura. Una disminucion de la temperatura
del agua 0 del aire de enfriamiento tiene el
mismo efecto. Dentro de ciertos limites, esto es
conveniente, ya que reduce la potencia requerida por el compresor. Sin embargo, cuando
se trata de sistemas provistos de valvulas de
expansion, la capacidad de este tipo de valvula es una, funcion de la caida de presion
a traves de la misma. Si la presion del lade
de a1ta, es demasiado baja, la capacidad de la
valvula disminuye excesivamente, y limita en
extremo la alirnentacion al evaporador. Esto
puede dar par resultado una capacidad
insuficiente de refrigeracion, la forrnacion de
escarcha en el serpentin, una velocidad insuficiente del aceite de retorno, y la activacion
del control de seguridad del compresor. Los
con troles son indispensables para inantener
una presion adecuada de coridensaciori, y as)
evitar los problemas antes mencionados.
", Todos los con troles de la presi6n de descarga
operan mediante el control de la capacidad
del condensador. Si disminuye la capacidad del
condensador, este no puede condensar el' refrigerante con la misma rapidez, intensificandose
la presion de descarga.
Los controles pueden ser activados d irectamente por la presion del condensador, 0 por
la temperaturadel rnedio de enfriarniento.
7.12 Control de la presion de
., descarga en los condensadores
enfriados por ai~e
Los condensadotes enfriados por' aire 'se hallan
especialmente'sometidosa bajas presiones de
descarga, ruanda operan'en dimas en los que el
aire alcanza temperaturas muy bajas en invierno. Los dos medics generalmente utilizados para
controlar la presion de descarga en los condensadores enfriados por aire, son los que
utilizan' el~ontrol dellado del aire, y los que utilizan el control del lado del refrigerante.
EI controldel lade del aire opera disminuyenda el flujo del aire a traves del condensador, disminuyendo as) su capacidad, y dando
como resultado un aumento en la presion de
descarga. Pueden utilizarse tres metodos: ciclado
del veritilador, regulacion de cornpuertas y
control de la velocidad del veritilador.
Ciclado de uentiladores. Los ventiladores se hacen arrancar y parar en respuesta a una sefial.
No se utiliza una sefial de control directamente
164 I Condensadores
.1
;',;
: l'
y enfriamiento
desde Ia presion de descarga, debido a que se
produce un ciclado dernasiado rapido. Esro
hace oscilur la valvula de expansion, y puede
ser asimismo, causa de que se queme el motor
del ventilador. En su lugar, el control se efecIlia con In temperatura del aire ambiente.
-Nu es convenierue efectuar el eiclado con
un solo ventilador, debido a que la presion de
descarga se eleva por encima del ajuste del
corte del control de alta presion ..Cuando se
utiliza una unidad con varies ventiladores, estes
se pucden deseonectar en forma secuencial, en
respuesta a la temperatura del aire, pero que·
dando siernpre en operacion un ventilador.
.!.,'"
Regulacion de compuertas. En este metodo, el
tlujo de uire que pasa a traves del serpentin
del condensador se reduce mediante la regulacion de cornpuertas, reduciendose asi la capacidad )' elevandose la presion de descarga. EI
control se puede disponer para que opere ya
sea con la presion de] coridensador, 0 -con la
temperatura del aire: ambiente: .,
.En algunos tipos de ventiladores, la_potencia requerida pOl' estes aumenta a medida que
el flujo de aire se resninge'y au menta su resistencia. Debe tenersecuidado de. quela capacidad del motor del ventilador sea. la adecuada
en este tipo de situacipnes.
. .::: .' ~
se trate de un sistema a baja temperatura),
y
el refrigerante emigra desde los componemes
a mas alta presion, incluyendo el evaporadoj-,
haciendo bajar as! la presion del mismo, Cuando
los con troles del sistema demandan que se ponga
en operacion el sistema, el control de seguri.
dad de baja presion del evaporador impide que
arranque el compresor. Una manera de resolver
este problema potencial consiste en utilizar uri
retardador que puentea el control de baja pre·
sion durante el arran que.
Control del lado del refrigerante. En este tipo
de control de un condensador ~,nfriado por
aire, la su perficie activa de trarisferencla de
calor, se reduce inundando el serpentin de refrigerante Jiquido. En la figura 7.13 se muestta
un metodo de haeer esto. Una valvula de paso
del compresor se abre cuando baja'la presion d~
condensacion. El gas caliente 'se desvia y penetra en la linea delliquido queva del cond'ensador al. recibidor. Esto bloquea el flujo del
iiquido procedente del condensador, ci.ismil11i~
yendo asisu capacidad. ta presion -del ga~
caliente aumenta
la presion
el' recibidor t de
,
'.
manera que exista suficierite presion para operar
leivalvula de expansion. Una valvula estrangula.~
dora conectada a] condensador, opera junto cori
,
,
en
.
.,~
j,
,
I.' A ~
Controlde la velocidadael uentilador.. Con .el fin
reducir J~'ve]ocidad detmotor del ventila·
dor, }' por ]0 tanto e) flujo del .aire, se utilizan
dispositivos de estado solido para.elcontrol de
la velocidad. EI motor utilizado es de un tipo
cuya velocidad se reduce a rned ida que disminuyeel voltaje. EI dispositive de estado solido
reduc~ el voltaje al motor, en respuesta a una
serial procedente de la presion de conderisacion, 0 de la temperatura del aire.
Cuando se interrumpe el ciclo, se presenta un
problema adicional relacionado con la baja presion en los condensadores enfriados por aire. En
el illYierno, si el condensador esta ubicado en el
exterior, ]a presion en el mismo es mas baja
qlie en otras· panes de] siste;na (a menos que
de
.
Condensador
enlriado por aira
~
, j:
Valvula de
,eSlra'nguJacion
Figura 7.13. Disposicicn del control de presion
de desoarga de un condensadar enfriado par aire,
con desviaci6n del refrigerante (es posible utilizar
otras disposiciones).
'.: ~.:
'('
~:"
Objetivos I 165
la valvula de paso para restringir el flujo al
condensador, cuando se ahre la valvula de
paso. Adernas, cuando se para el sistema, la valvula estranguladora y otra de retencion situada
a la salida del condensador se cierran, aislandolo y evitando asi ia ernigracion del refrigerante hacia el mismo.
Se observara que con este metodo de control
es necesario utilizar un recibidor de refrigerante. Se requiere asimismo una mayor carga
de refrigerante para inundar el serpentin, asi
como para operar el sistema.
El control dellado del aire proporciona un
buen control de la presion de descarga, s610
hasta unos 40°F de temperatura exterior. El
control del lade del refrigerante opera sarisfactoriamente por debajo de esta temperatura.
7.13 Control de la presion de
descarga en los condensadores
. evapo~~tiv.o;s
A bajas cargas de refrigeracion, 0 a bajas temperaturas de bulbo hurnedo en' ~l exterior, la
presion d~ condensacion
los conderisadores
evaporativos 'desdende por debajo de' ~ive·
les aceptables. Los metodos para mantener una
presion de descarga adecuada incluyen el ciclado
del ventilador, la regulacion de compuertas y
1a operaci6n del serpentin en seco.
~n
.
r
Ciclado del uentilador. EI ventilador se arranca
y para obedeciendo a una sefial de control de
la presion de condensaci6n.Bajo ciertas con~
diciones de· carga, puede ocurrir un ciclado
cuya rapidez sea inaceptable,
operacion de
ventiladores
con motores· de rmiltiplesvelocidades constituye una alternativapreferible. El
. ciclado de la bomba no se interrurnpe, debido
a que cada vez que esta se para, se forma una
pelicula de incrustacion en los tubos.
La
Regulacidn de compuertas. Las cornpuertas de
regulaci6n pueden utilizarse para restringir el
flujo de aire a traves de la unidad, en respuesta
a un control de la presion de condensaci6n.
Una variacion consiste en utilizar unjuego de
cornpuertas y un ducto de recircu laci o ri para
mezclar el aire de descarga con el aire exterior
que entra al sistema. La mezcJa de aire tiene
un contenido mas alto de humedad, y por 10
tanto una menor capacidad de enfriamiento evaporativo.
Operaci6n eon el serpentiu_en seco. No s~ :·~pera
el sistema de aspersion con agua circulante, y
la unidad opera como un condensador enfriado
por aire. La capacidad disminuye, aumentando as! la presion de descarga. Este merodo se
combina por 10 cornun can uno-de los otros,
deD1arera que pued~. ~~,t,~I."lerse
~~yorre~i.
bilidad yalcance. Elagua debe drenarse iii ·dl
sistema ha de operarse por d~b,~j9 de fa .ternperatura de congelacion.
7.14 Control d~ Ia pres~?r':d~,·
descarga en los .coiicJensa~~r'~s
enfriado.s
ppr ~gU,a:,.·
.
d~~4~~,~~;gadelos c.~r,d~.J1S~·~~res
enfriados por agua se mantiene, restringiendo el flujo del agua. En los condensadores que
utilizan el agua una sola vez, el control de la
presion de descarga se obtiene con una valvurare~I~dor~' d~agua (figura 7.14). Esta valvula
restringe eI flujo de agua si Ia presion de condensacion disminuye. La capacidad se reduce
y la presion se eleva hasta alcanzar su valor
controlado. La valvula tiene la funcion adicional
de conservar el agua. Esto es muy importante
cuand~ se utiliza agua de la red del seryi cio
publico, puesto que tiene un costo.
..
La valvula debe instalarse siernpre en Ia linea de·descaj-gf~ue sale del condensador, de
manera que este siernpre ·se encuentre Ileno
de agua. Esto disminuye el que los tubos se
mojen y se sequen alternativamerite, ya que esto
aumenta ia formacion de incrustaciones,
.
.Cuando se utiliza agua recirculada procedente de una torre de enfriamiento, la presion
~.'!presion
y enfriarniento
166 I Condensadores
SAUDA
"
__:..,__
"
: PRESION DE
CONDENSACION
.~
Figura 7.14. Valvula regUladora del aqua, utilizada
para controlar la preslon de descarga en un condensador enfl'iado par agua:
de condensaci6n se mantiene controlando la
te~p'eF.~~uia,'ge,!,~gU<!;~.~·Esto'
se p~~de hacer
in'st'aliNdo \i~Hi~ia'seh' Hi tuberia entre eI condensador y Ia tofre:'de "~'iifrHi~iento,;Uno de
los metodos posibles consiste en utilizar una
valvula
de paso entre la descarga
del conden.
.
.
:
......
:
sador y la entrada (figura 7.15).La valvula puede
controlarse con la temperatura del agua de condensacion 0 directamente con la presion de
coridensacion. Cuando la presion de descarga
disminuye, la valvula de paso se abre mas. Esto
aumenta la temperatura del agua a la entrada
del condensador, disminuyendo la capacidad
y aumentando la presion de descarga.
Hay rnetodos alternos para controlar la
presion de descargacuando se utilizan torres de
enfriamiento, como son eI restringir el flujo
de aire a traves de la torre mediante la util izacion de compuertas de aire, 0 controlando Ia
velocidad del motor del ventilador de la torre.
Se reduce la capacidad de enfriamiento de
la torre, y el agua retorna mas caliente al condensador.
7.15 Rendimiento
del condensador :. ..'
.
..
•EI condensador debe rem,9v~r el calor adquirido en el evaporador como resultado del efecto
de la carga de refrigeracion, as! como el calor de
compresion que' resulta de la potencia que se
requiere para cornprimir el gas; La' cantidad
de calor rernovido en el condensador se lIa~a:
el calor de rechazo (total). oEsteya s~ determin6
antes mediante Iaecuacion 4.11 .
',! .
Torre de.
snfrlamlento
. r'
t
;
.a._,"
.,
.. ','.......
.
.
... ::::.:~:.:.: ::
'
en donde:
Qc' ~. c~lor total d~rechazo en el'c'~nder{sador
Qe ':" calor adquirido en el evaporador (carga
t
P
Condensador
Valvula de desvio
Figura 7.15. Dlsposicion del control de presion de
descarqa de un condensador enfriado por aqua
que utillza la desviaci6n para evitar el paso a la
torre de enfriamiento (es poslble utilizar otras dis-
posiciones).
=
de refrigeraci6n)
.
equivalente termico de la potencia requerida para comprimir el gas
E1 tamafio requerido del condensador, esto
es, Sl1 area A de superficie requerida de transferenda de calor requerida para remover el
calor de rechazo, se determina mediante la
ecuaci6n 6.5 de la transferencia de calor.
Q == U x A x DTME
·
,
~':
~
' .•...
,
•.......•.
..
..
'.'
,
r
OhjetivGs I 167
"
Con el fin de utilizar la ecuacion de la transferencia de calor para hallar el tamafio requerido
del condensador, se debe deterrninar primero el coeficiente de transferencia de calor, U.
Esto es en .cierto modo, complicado, puesto
que el valor de U depende de muchas variables, tales como la velocidad del fluido, su turbulencia, viscosidad, temperatura, y otros valores
semejantes. Por esta raz6n, los fabr icantes a
menudo presentan datos de las capacidades de
sus condensadores en forma sim plificada. En
las siguientes secciones se examinan diferentes
formas en las que se presentan los datos de
las capacidades.
7.16 Capacidady seleccion de
los 'condensadores enfriados
por agua
En Ia tabla 7.2 se muestran las capacidades COITes·
pondientes a un grupo de condensadores enfriados pOl' aire, de un fabricante. La tabla 7.2
muestra los datos fisicos b.isicos de cad.a condensador. La figura 7.16 muestra los coeficien tes
de transferencia de calor, y la figura 7 _17 las
caidas de presion del agua. Para selecc io nar
un condensador correspondiente
a un a ap licacion dada, se rcquieren los datos sigu ie ntes:
I. Calor total de rechazo,
2. Temperatura
de condensacion.
3. Temperatura
de entrada del agua d,e COI1densacion.
4. GPM del agua de condensacion 0 la e levacion de temperatura .."
5. Resistencia p6r la inc~ilstaci(>n ocasi onada
por el agua.
6_ Limitaciones dimensionales del con de nsador, y limitaciones de la caida de presion del
agua, si existe alguna.
. Una regIa practica aproxirnada, que se utiliza dentro de los limites de Jas temperaturas
de los sistemas de aire acondicionado,
indica
que el calor total de rechazo es de un 20 a un
Tabla 7.2 Capacidades de los condensadores enfriados par aqua, deltlpo de.
casco y tubas .
,...,
.
FuncJonamiento y datos fl.sfcosil
Caparidad y C,P.del <J9ua b.(caidade presi6n)
Datos r.sicoo
EWTBS·F;,c,r. TOS'F
Modelo
TooeladBsc
GPM
(Galone5 Numerod~
par minuta) paso<
~rga minima
C.P.
~bfpulrl)
WumelO
de
lubo.
Superficie
'C~i:iaddtJdde
apfDximada
electiv •• pi.2
evaouaci6n (Ib)
operaciOn (Ib)
GTR804Bb
GTR81J6B
20.0
60
4
7.2
40
92
58
13
29.6
100
2
3.6
140
87
21
GTA1004Ao
26.0
81
32.0
96
4
4
7.7
GTR100413b
GTA1006B
41.5
128
2
2.5
40
52
64
64
GTA 808B
40.3
120
2
GTRlooBA
162
GTA100S8
S4.~
64.5
GTR12068
64.B
GTR120BA
B4.7
200
?52
2
2
2
5.9
5.9
5.9
2.5
5,9
2
5.9
2,5
5.9
5.9
Gffi120BB
GTR1406A
100.0
84.2
192
300
250
GTA140BA
131.1
390
GTR14088
151.0
468
7.2
119
Q{'.
95
19
147
89
224
133
23
35
40
:;2
64
191
118
35
249
194
46
306
181
47
100
358
185
47
84
401
267
66
100
477
246
67
130
455
205
56
130
621
273
81
154
735
243
70
BOatospara el R-22.
bNuevos modelos.
'Las capacidades tienen como base un facter de incrustacion de 0.0005.
Cor!es(a de Acme Division, Gulf & Western Manufacturing Co., Jackson. Michigan.
de
168 I Coridensadores y enfriamiento
240~--~--~---~--~----.---~---r---'
(R-221
0.0005 F.F.
(R-S02)
220 1---l---l----l--t--t---j-:7"9---j
/ 0.0005 F.F.
/'.;
(R-121
200 1---+--+--+--1----t-7--t-::..-c-~'---_! 0.0005 F.F.
//
LL
0
N
OJ
'0.
.c
:;
§.
1BO
~
0
iii
o
OJ
"C
III
'13
c::
e
'"
u;
(R-221
160
0.001 F.F.
(R-5021 0.001 F.F.
(R-12)
0.001 F.F.
__
140
c::
jg
OJ
'0
OJ
.,.
120
Figura 7.16, Coeficientes
de transferencia de calor de
los condensadores enfriados por agua enumerados
en latabla 7.2. (Cortesia de
Acme Division, Gulf & Western Manufacturing Co.,
Jackson, Michigan).
E
OJ
'(3
".E0
100
(.)
BO
60
0
•
:C'ltII
"'"
2
3.
4
.
5
6
7
8
Gasto de agua (GPM por tubo)
::~I
~I
25 por ciento mayor que la carga de refrigeraci6n. La proporcion aurnenta a medida que
disminuye la temperatura de evaporacion, Las
cantidades tipicas de surninistro de agua al condensador se hallan dentro de Ips limites de 2.5
a 3 GPM por tonelada de refrigeracion, en el
caso en que se utilice agua recirculada. Cuando
se utiliza agua que se desecha despues de haber
pasado una sola vez, generalmente se utiliza
una menor eantidad de esta, dentro de los lirnites de 1 a 2 GPM por tonelada, a fin de conservar su uso.
En el ejemplo siguiente se ilustra el uso de
las tablas de capacidades.
;:.
Ejemplo 7.1 Seleeeionar el condensador de menor tarnafio requerido para las siguientes condiciones, y que opera en un sistema que utiliza
refrigerante R·22.
1. Carga de refrigeraci6n = 100 toneladas,
BHP del compresor = 140.
2. Temperatura de condensaci6n = 105°F.
3. Temperatura
del agua de suministro para
eondensaci6n
= 85°F..
,
4. Elevaci6i1 de la temperatura del agua ,de
condensaci6n
= lOOF.
'
. 5. Resistencia par incrustaci6n (factor de incrustaei6n) = 0.001.
Solucum
1. EI calor total de reehazo utilizando
ecuaei6n 4.11, es de
Q.
Q,+P
100 t
+ 140 hp
X
12000 Btu/h
I
t
2545 Btu/h
X
1 hp
1 200 000 + 356 300
1 556000 Btu/h
129.7 t
la
Objeti"los I 169
20
18
16
14
12
10
9.0
8.0
7.0
os
6.0
01
:;
.e£!
c:
:9
5.0
'"~
c.
m
'0
ttl
4.0
:2
m
U
3.0
2.5
,:,
2.0
1.8
. ~.~ 1.6
1.4
1.2
1:0' .
1
2
3
5
4
6
7
8
9
Gasia de agua (GPM par tubo)
Figura 7.17. Caida de presion del agua de los condens adores enfriados por agua, enumerados en la
tabla 7.2. (Cortesia de Acme Division, Gulf & Western
Manufacturing Co., Jackson; Michigan).
170 I Condensadores y enfriamiento
2. Se utiliza la ecuacion 2.4 y se halla que
el flujo del agua es de
GPM
=
24
X t
CT
24
X
129.7
311 GPM
(95 _ 85)
3. En seguida se deterrnina la DTME
Diferencia
= 110 _
Diferencia
= 110·_
Mayor de Temperatura
85 ~ 25°Y·
Menor.de Temperatura
95 = 15°F
.
Se :u tiliza la tabla 6.2 y se halla .que la
DTME = 19.6°F.
I
I
I
f
i
\
~
I
.1
t
o
i
•
4. Se selecciona un tarnafio de prueba para
el condensador. La tabla 7.2 indica la capacidad en toneladas para las condiciones
dadas. En la tabla 7.2, el modele No..1408A
tiene una capacidad de 131.1 toneladas
de calor de reehazo, y tiene 130 tubas, 2
pasos, y 621 pie2 de superficie.
5. Hallar el flujo por tubo de este condensador.
GPM X mirnero d'e pasos
GPM/tubo::: --------,---..!-mimero
tubes
de
=
.
-r,
130
.
.
= 4.8 .GPMltubo
6. Se puede ahora comprobarel tarnafio del
condensador en "lascondiciones reales,
para ver si es satisfactorio.
En la figura 7.16 se halla que el.factor
U es 135.
Se u tiliza la 'ecuacion de la rransferencia de calor (6.5)·y se halla queel area de
superfide requerida es
A
= --Q-=---U x DTME
~88 .
ple2
=!J
El modelo No. 1408A es satisfactor io
7. La caida de presion del agua se determina utilizando el diagrama de la figura
7.17. La ultima cifra del mimero del modelo indica la longitud en pies (8 pies).
En la figura 7.17 se haJla que Ia caida
de presion a traves de un condensador de
2 pasos y 8 pies de largo es de 3.8 Ib/pulg2.
7.17 Capacidad y seleccion de
los condensadores enfriados
. por aire
Por logeneral, los fabricantes presentan los
datos de las.capacidades correspondientes a
16scondensadores enfriados por air.e (y a menudo las..correspondientes a los condensadores
enfrfado; por. agua) de una manera sirnplificada, d~ 'modo que no es necesari~ .utilizar
la ec.oaoi,6n,d.e·la transferencia .de .calor, 1:1
flujo d~:iiie:~e"ryja para cada tarnafio ..de.con. densador.-y asi.el-valor U es .aproximadamente
constante. .Portlo. tan to, la tinica variable :es!la
difd·erlci'a ;,de\i~mpe.rit~ra·e~i:re
el kil.;re ame, 1)jenfey·':eT,;r.efijge·fari'te
'e:nestado -deconden,s<.lci6h.La;tabJa'7j presentaun ejemplo de.capacidades <iF condensadores enfriados :ppr aire.
..
311 x 2
. 1 556 000.
135 X 19.6
:.:~',':
,:"
''.
. ",,:,_.~
'l.
:
..
Ejeniplo. '7;2" :S,~lecdo~~r un ~on'dens~dor .enfriad~ por aire,<,:paraun sistema Instalado en 1a
ciudad
Nuev~Yorkl el cual utiliza refrigerante
R-12. E1 calor ;total,de .rechazo es de' 19'0000
Btu/h. La temperatura -del aire ambiente es
de 95°F, y la temperatura de condensacion
es de 115°F.
de
Solucion. La diferencia de temperatura es de
115 _ 95 = 20°F.
De acuerdo con la tabla 7.3, resulta adeeuado un condensador modelo No. LSBC
222 D, con una capacidad de 198000 Btu/h.
Objerivos , ].71 .
Tabla 7.3 Capacidades de los candensadores enfriados par aire, de transmision directa (60 Hz)
Tabla 7.3 (Continuacion).
Refrigeranle R·22
Refrigerarite R~22
Calor total de rechazo, MBHa
Calor total de recbezo, MBHa.
Modelo
LSBC
0610
1410
1420
1830
2020
2220
2610
1810
241()
1820
2420
1610
Modelo
LSBC
Oiferencia de temperatura (OT) OF
20
15
41
61
80
125
230
263
323
395
468
512
545
690
55
81
107
166
185
·210
285
316
374
410
436
552
138
160
193
238
281
308
328
415
820
920
1098
666
736
870
:492
552
653
30
25
8.3
122
160
250
69
100
132
208
277
315
387
475
562
616
656
830
984
1105
1306
2.75
4.05
5.35
8.30
9.25
.10.50
14.25
15.8
18.7
20.5
21.8
27.6
32.8
36.8
43:5
.•.. 1" .
Refrigerante R·502
.1,.
30
25
20
15
78
115
150
235
260
296
363
446
55
96
125
195
52
76
100
156
173
198
242
296
39
57
75
118
130
149
182
223
264
289
308
388
529
580.
616
777
201b
2210
201b
2210 •
2810
2820
0610
1410
1420
1830
2020
2220
2610
1810
2410
1820
2420
1610
oiferencia de temperatura (D'I},
2810
2820
924
1038
·1226
217
248
303
370
440
482
512
647
352
3~5
410
51B
770
616
865
1020
"Ei92
816
462
519
613
of
1
2.£ 50
3) 30
5. 00
7 .80
S ..65
s 1.90
1: 2.10
1 4.8
1 7.6
1 19.3
: 20.5
25~:9
30.8
34.6
• 4O.H
aMBH = miles de Btulh. .
bNo, disponible con Iransmisi6n directa.
Coneste de Dunham-Bush. Inc.
Calor total d~ rechazo;
'MBH
a
'OJ:
. " . '_
'.,;.
,
Modelo
LSBC
0610
1410
1420
1830
2020
2220
2610
1810
2410
1820
2420
1610
...
;:.:
I
oiferencia de temperatura (OT) OF
30
25 .
20
15
1
80
H8
154
2.40
270
306
375···
460
546
598
636
804
67
98
128
201
224
255
313
383
455
498
530
670
54
79
102
161
180
203
25Q
306
40
59
364
398
424
536
120
135
153
187
230
273.
299
··318
402
2.70
3.95
5.10
8.05
9.00
10.15
12.50
1S.3
18.2 .
19.9·
21.2
26.8
798
892
1060
633
714
844
479
536
653
'77
201b
2210
2810
2820
958
1072
1280
31.9
35.7
42.7
Las capacidar' Ies de ·105 conden .sadores
. enfriados por aire generalmente se basan en
un flujo de mas;a de aire disponiblez al nivel
del"mar. A may ·oresaltitudes, el vemtilador
surninistra un menor flujo de la masa de
aire, puesto ql"re la densidad del a'ire disrninuye. Esto hal :e disminuirla transferencia
de calor. Para corregir elerror debido aeste
efecto, el cak or total de rechazo requerido
debe aurnentarse en un :5 pOT ciertto por
cada 2000 pi es adicionales de altitud.
Ejemlplo 7.3 Selesccionar un condensador utilizairido los dauos del ejempl0 anterior, si la
uni dad se locali.zaen SaltLake City,Utah (la altitrid aproxima_da es de 4000 pies).
172 I Condensadores y enfriamiento
la capacidad resultante de la cornbinacion, 11arnada elpunto de equilibria. Esto no es necesario
cuando se utilizan unidades integrales, ya que el
fabricante determina la capacidad. La cuestion
de determinar el punto de equilibrio se trata
en el capitulo 14,
.Solucum El calor de rechazo se aurnenta en
un 10 pOl' ciento.
190 000 x 1.10
=
209000 Btu/h.
Ahara se requiere el coridensador. del
tarnafio siguiente, un modele 261 D, con
una capacidad de 242 000 Btu/h. Otra posible solucion podria consistir en aumentar
la diferencia de temperatura del diserio,
mediante un aumento de 11:1 temperatura de
condensaci6n, utilizando Ia u nidad menor.
Sin embargo, esto aurnenta la potencia requerida par el com pres or.
:
"
7.19 Capacidad y seleccion de ..
un ida des de condensacirin
enfriadas por aire
En la tabla 7.4 se muestran las capacidades:
tipicas de un grupo de uriidades de coriden-. '
sacion enfriadas par aire. A fin de .seleccionaf
con propiedad una unidad, se requiere la sigu ien te informacion:
7.18 U nidades de condensacion
La gran mayoria de' los equipos de refrigeraci6n utilizados hoy en dia, se fabrican y surninistran en diversas formas integradas, en vez
de cornponentes individuales. Unade las mas
cornunes es la unidad de condensaciim, en la eual
el compresor. el condensador, y los controles.se
ensamblan y prueban en la fabrica. Esto reduce
los costos de instalacion, asegtira que los componentes sean los apropiados en cuanto a su
capacidad, y disminuye la posibilidad de que
tengan lugar errores en la instalacion.
, .Cuando.los componentes se seleccionan por
separado, sus capacidades Taras veces se ajustan
. exactamente, y puede ser necesario determinar
1. Carga de refrigeracion.;
.
2. La temperatura saturadade succi6n (TSS):',
3. La temperatura del aire que entra a1 con':
densador4. La altitud.
de' con-_.....
Ejimf)lo '-7.4' Seleccionar una u'nidad
densacion enfriada par a~re, al nivel del mar;' .
que cori-.~sp(lhda a iJ)!a c'~n~a de refrigeracion
de 25 toneladas, E1 aire de entrada tiene una, .:
temperatura de lOooF y la TSS = 30°F.
Solution 'Segun la tabla 7.4, un n:.-odelo ACU<~ .
40 tiene una capacidad de ref~igeraci6~
Tabla 7.4 Capacidades de las unidades de condensaci6n enfriadas par aire.3b
Temperatura del site enfrando al conqensador,
Temperatura
de succien,
95°F
85°F
100°F
.
OF
10soF
115°F
'.'
Modelo
OF
ToneJadas
kWc
ToneJadas
kW
ToneJadas
kW
ToneJaC!as
I<W
Toneladas
ACU 025
30
35
40
45
50
21,8
23.5
26.2
29,1
32,2
25.5
27.5
29.0
30,5
31.5
19,2
21,8
24.4
27.3
30,2
27.0
28,5
30.0
32.0
33,5
18,5
21.0
23,6
26.4
29.3
27.2
29,2
31,0
32.7
34,5
17.7
20.2
22,7
25,5
28.4
27,5
29,5
31,5
33.5
35.5
16.1
18.3
21,0
24.6d
27,7d
29.0 .
31.0
33,0
34.7
36.0
ACU 030
30
35
40
45
50
24.5
27.5
31.1
34.4
38.0
29.5
31,0
32.5
34,0
.35.5
22,7
25.2
28.6
32.0
35.5
30.5
32.5
34,5
36.0
37.5
21.8
24,3
27,5
30.9
34,4
31.5
33.5
35,0
37,0
38.5
20.6
23.4
26,6
29,8
33.5
32.0
34.0
36,0
38.0
39,5
18.5
21,3
24.5
27.7
32,3d
33.0
35,0
37.5
39.5
40.8
kW
r
,
-e
i
Objetivos I 173
Tabla 7.4 (Continuaclon).
Temperaturadel eire entrando a1 condensador.
Temperatura
de succion,
95°F
85°F
100°F
105°F
Modelo
of
Toneladas
kWc
Tonefadas
lrW
Tone/adas
kW
Toneladas
ACU 040
30
35
40
45
50
31.5
35.2
39.6
44.0
49.1
38.0
40.0
42.5
45.0
47.0
28.9
32.6
36.7
41.4
46.2
39.5
42.0
44.5
47.0
49.5
27.5
31.2
35.4
40.0
44;7
40.5
43.0
45.5
48.0
50.5
26.0
29.7
34.1
38.5
43.3
ACU 050
30
35
40
45
50
42A
47.3
52.8
58.7
64.9
51.0
54.0
57.0
60.0
63.0
39.0
44.0
49.5.
55.4
61.2
54.0.
57.0
60.0
63.5
66.5
37.0
42.2
48.2
53.5
59.4
55.0
58.5
61.5
65.0
68.5
ACU 060
30
35
40
45
50
49.0
55.0
61.0
67.8
75.2
58.5
62.0
66.0
69.0
72.5
44.9
50.9
57.3
63.7
71.0
61.0
65.0
69.0
72.5
76.0
43.1
48.6
55.0
61.4
68.8
ACU 075
30
35
40
45.
50
60.0
67.5
75.3
84.?
93.5
71.0
75.5 .
80.0
84.5
88.5
55.2
62.5
70A
79.0
88.0
75.0
79.5
85:0
89.5
94.0
52.6
59.8
67.6
76.4
85.1
30
35
40
45
50
7.1.9
'80.2
89.8
100.4
111.3
89.0
95.0
100.0 '
106.0
110.0
66.4
74.7
'83.9
93.5
104.3
93.0
99.0
105.0
110.5
116.0
109.5
116.0
122.0,
128.0
76.5
86:6
97.2
10B.6
121·0
107.5
'115.0
122.0
128.5
135.0
115.0
123.0
130.5
138.0
145.0
84.3
94.4
107.2
121.0
134.7
120.0
129.0
137.0
144.0
152.0
ACU 090
ACU 100
30
. . '~35"
40
45
50
ACU 120.
30
35
40
45
50
c.
82·5
93.0
104.0
115.9
128.8
.. '
91.7
102.7
114.6
128.3
143.0
.
~103.0
of
115°F
Toneladas
kW
41.5
44.0
46.5
49.5
51.5
23.8
27.1
31.2
35.6
41.8d
43.0
46.0
48.5
51.5
52.5
35.2
40.3
45.8
51.7
57.8
56.0
60.0
63.0
67.0 .
70.0
31.9
36.7
42.2
48.0
55.4d
59.0
62.5
66.0
69.0
72.0
62.0
66.5
70.5
74.0
78.0
41.2
4B.7
52.7
59.6
66.4
63.0
68.0
72.0
76.0
80.0
37.1
42.6
48.6
55.0
64.6<1
66.0
70.5
75.0
79.5
82.0
76.0
81.5
87.0
91.5
-e ,
96.0
50.2·
57.6
65.3
78.5
83.5
88.0
93.5
98.0
41.8
62.9
71.5
BO.7
90.3
100.8
94.5
101.0
107.0
.113.0
119.0
.. ~
60X)
68.3
77.5
87.0
97.6
73.8.
83.9
93.9
; 105.1
109.5
117.5
124.5
131.0
138.:0
70.6
80.2
..
90.3
102.7
113.7;
122.5
132.0
140.0
147.0
156.0
77.0
87.0
98.0
111.8
124.6
... 11B.O
80.7
90.7
102.7
115.5
129.7
If·5
82.5
',.
kW
52.8
60.3
68.6
79.4
81.5
87.0
92.0
, '97.0
100.0
54.1 .
61.9
71.5
84.3d
93.9d.
100.0
107.0
113.5
117.5
124.0
112.0
120.0
'127.0'
'134.0
141.0
.64.6
73.3
83.4
9B.Od
116.0
125.0
133.0
137.5
125.0
135.0
143.0
151.0
159.0,
69.7
78.8
91.7
106.3d
131.0
140.0
148.5
154.0
96.0
103.0
109.0
115.5 .,
122.0
Notas.. a Se permite la inlerpolacion directa para las condiciones entre las capacidadas, pero no la extrapolacion.
b Correcci6n par ahitud.
Altitud. pies
2000
4000
6000
Factor de
capacidad
0.99
0.98
0.97
La palencia de entrada que se muestra en .kW,es s610para el compresor 01erlos datos electricos para la palencia'del ventilador).
Temperatura del aire enlrando al condensador, 100°F.
Cortesfa de Dunham-Bush, Inc.
C
d
17,! I Condensadores
y enfriamiento
de 27.5 ioneladas en las condiciones dadas. La
potencia alimentada al compresor es de
40.5 kW a 27.5 toneladas. Se puede hallar
nsirnismo la relacion de eficiencia de la energia (REE).
Capacidad
27.5
t X
Btu/hr
12,000 ---
330,000 Btu/hr.
REE
..~
Capacidad
(Btu/hr)
Entrada de potencia
330,000
-----=
40.5 x 1000
(W)
8.1
TORRES DE ENFRIAMIENTO
7.20 Enfriamiento del agua
.,
por evapora~lOn
Cuando
se uriliza el agua recirculada en los
condensadores, el enfriamiento de esta se consigue mediante la evaporacion de una parte de
la 1111S1nahacia el aire ambiente circundante. EI
cal:01"Iatente necesario para evaporar el agua
se toma del agua no evaporada, disminuyendo
lu temperatura tanto del agua en forma liquids
como del vapor de agua. Este efecto asimismo,
enfria el aire circundanre,
Debido al elevado calor laterite de vaporizad6n del agllLl (unos 1 000 Btu/lb); solo es
necesario evaporar una pequeiia parte del agua
utilizada. Si bien 1£1 tone de enfriamiento
es el dispositive mas c0111unutilizado para enfriar el agua por evaporacion. ocasionalmente
se usan estanques.
)"_
j.
('
7.21 Estanques de enfriamiento
y estanques de espreas .
,.
i .
Ocasionalmente se utiliza un estanque natural 0
artificial de agua para enfriar el agua del con-
1\
~'!"
n'•..:-"';:·
densador, La evaporacion natural que tiene Iugar en la su perficie enfria la masa de agu.a
conteriida en el estanque. EI agua del coridensador se bombea del estanque y se vuelve a
vaciar en el mismo. Algunas veces el agua del
estanque se rocia al aire (en estanques de aspersi6n). Esto aumenta Ia evaporaci6n y la
transferencia de calor de una manera significativa, para el area de un estanque dado, debido
a que el area superficial del agua aurnenta
considerablemente, 31 dividirse esta en pequeii.as gotas.
Los estanques de. enfriamiento y de aspersion son inconvenientes por varias razones. Su
capacidad varia de una manera significati"vacan
la velocidad del viento, y es muy dificil de pre·
decir. Tr atandose de velocidades del viento
muy bajas, el tamafio requerido del estanque
puede ser inaceptable. Si las velocidades del
viento son elevadas, este puede arrastrar una
considerable carrtidad de agua de aspersion
(a esto se le llama)erdida por arrastre). Esto
aurnenta el costa del agua si esta se compra, y
el arrastre puede ser molesto ohasta per judicial al entorno.
7.2,2 Tip'6S de torres de enfriamiento
Una torre de enfriamiento es 'una estructura
cerrada, disefiada para enfriar agua por ~vapo·
radon, de una manera controlada y eficierite.
Los disefios de las torres se orientan hacia Ia
division del agua en gotas, aumentando de
esta manera el area de su perficie para la evaporacion, en una estructuratan pequefia como
sea posible ...Las torres pueden clasificarse de
diferentes rnaneras, las cuales se tratan en las
secciones siguientes.
7.23 T orres con tiro no mecanico
y mecanico
tiro se refiere a la diferencia de
presion, necesar ia para hacer que el aire fluya
a traves de un dispositive tal como una tone
de enfr iam icnto. Las roues con tiro no meca-
La palabra
1
·t·
.,
Torres de enfriamien to I 175
TAN QUE COLECTOR
'DE AGUA FRlA
Figura 7.18. Torre de enfriarniento de aspersion
atrnosferica. (Reproducido con permiso del Equipment ASHRAE Handbook ancjProduct Directory del
ana 1979).
nico no tienen ventiladores, p,ar~ desarrollar
la presion que .ocasione el movimiento del
aire a traves de la lOVe:!: EI movimiento del aire
se obtiene Ror otros .rnedios. E9, esta obra se
estudian dos tipps de torr~s de' tiro ~9 mecanice, la torre de aspersion atmosjerica, y la tOTTeeyeclora de .enfriamiento.:
'..
Uno de los primeros tipos de torres utilizados fue la terre de aspersion atmosferica (figura 7.18). E1agua caliente se bombea hasta la
pane superior c;l~ la tgn:e, y mediante unas
boquillas se rocia al espacio vacio de la misma.
EI efecto del movirniento de aspersion atrae 0
induce hacia abajo el aire que entra por la
admision en la parte superior de la torre. El aire
fluye hacia afuera par las rejillas laterales de la
terre. Los efectos del viento pueden asimismo
causar un flujo adicional de aire en sentido horizontal a traves de 1a terre. EI agua fria se concentra en un deposito ubicado en el fondo de
l~ torre, y ?t:: regresa al condensador.
La terre de aspersion atmosferica no es muy
eficiente, debido a que el flujo de aire creado
pOTel. efecto. de induccion es reducido. Consecuenternente, este tipo de LOrTerequiere de
una estructura de mayor tamafio que la riecesaria para otros tipos de torres. Ademas, la varia·
cion de los. efectos del viento cambia" y hace
dificilpnedecir- la capacidad de enfriamiento .
. Un- tipo moderno de torre de tiro no, mecanico, es: la torre eyectora de enftiamiento.
(figura 7:19). Una aspersion de agua.aalta ..velocidad, dir igida en sentido horizontal.. ih.duce
el aire de entrada, y 10 hace circular, a, traves
de la torre. EI funcionamiento de, este- tipo de
terre se puede predecir yes asimismo.cornpara.
ble en capacidad a las torres de tiro,meca.nico.
Una torre de tiro meainico utiliza: 'len.tiladores, para crear la presion (tiro) q~e. hace circular al aire ambierrre a traves .de, la torr e. Esto
perrnite la circulacion de grandes.volurnenes
deaire a naves de un espacio relativamente
pequefio, disminuyendo el tamano de la terrecorrespondiente. a una capacidad requerida determinada, Puesto que el flujo de aire se controla, ajustandelo a una cantidad conocida que
no depende del viento, esto.significa asirnismo.
que lacapacidad de la torre puede deterrninar,
se con exactitud.:
ESTABiLlzADORES.
DELAIRE DE
ENTRADA
l'
t
---
__..
W
a:
«
UJ
II:
«
UJ
c
~_.
c
«
0
UJ
:;
-c
-c
II:
JZ
W
AEJILLAS DE,
DESCARGA
Ul
__.
--...
SALIDA DE AGUA
FR:A
Figura 7.19. Torre eyectora de enfriamiento. (Tomado con permiso del Equipment ASHRAE Handbook
and Product Directory del afio 1979)_
176 { Condensadores
Y enfriamiento
SALIDA DE AIRE
SALIDA DE AIRE
1r 11r 1
»»»»»»»»»
--
ENTRADA DE
ENTRADA DE
AGUA
--
AGUA
EMPAQUE 0
RELLENO
.._
(a)
Figura 7.20. Torres de enfriamientode tiro inducido
y tiro forzado (disposici6n a contraflujo. (8) Tiro in"
ducido, a contraflujo. (b) Tiro forzado (a contraflujo).
.
\ \ I I,
,V"
."
\ \ 1,,1,I \ I
\111,
\\1;,....
,
VENTILADOR
•
,
+ • ,. +
+
(b)
,
.
"
Hay dos tipos de tones de tiro mecanico:
de lirofotiado y de tiro inducido, (figura;7.20). La
tone de tim forzado tiene el ventilador situado a la entrada del aire, y de esta manera obliga
al aire a pasar. El tipo de tiro inducido tiene el
ventilador situado a la salida del aire, y de'esta
mnne ra, induce el aire a pasaL"
Losventiladores pueden ser, obien del tipo
centrifugop del tipo axial. Los ventiladores centrifugos crean una presion mas elevada, y por
In tanto~811l11aS adecuados cuando existe una
resistencia al flujo de aire a traves de la torre.
Los ventiladores axiales son mas ruidosos, Los
\'entiladol~es centrffugos no se utilizan, par 10
general, en las instalaciones de tiro inducido. El
aire humedo es corrosive, y debido a S11 consrruccion, es dificil evitar la corrosion en los
ventiladores centrifuges. Tanto en las tones de
tiro me oinico, como en las tones eyectoras,
generalmente se instal an eliminadores en la
rorrienre de aire que sale de la torre, para cap'
tar el agua que de otro modo el aire de descarga
truusportaria al exterior.
de
En las torres
tiro mecariico, el agua caliente se borribea hasta la parte superior de la torre,'
y entonces 0 bien se rocia hacia abajo mediante
boquillas deaspersion, b'sealirnerita a uncanal
que tiene orificios en el forido, a traves de los
cuales sale el agua. £1'espacio dentro de la terre
esta empacado con un material Ilamado relieno, el cual satisface dos objetivos: aurnentar el
area de superficie de transferencia
de calor
del agua. y retardar la veloeidad del agua que
cae. Esto mantiene el agua mas tierripo dentro
de la torre, aumen tando asi el efeeto de enfriamiento.
Hay dos tipos de relleriorel de salpicadura
y 'el de pelicula (figura 7.21). El tipo de salpicadura esta constituido por tablillas dispuestas
en forma dispersa, s~re las cuales salpica el
agua al descender, dividieridose en galas, Este
tipo de relleno se utiliza en las torres de mao
yOI' tamano. El relleno del tipo de pelicula se
diseria para crear una delgada pelicula de agua
sobre la su perficie de] mismo,"y se empaca en
una disposici6n muy apretada. EI relleno del
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Torres de enfriamiento I 177
REGIONDE FORMACION
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Figura 7.21. Tipos de relleno en una torre de enfriamiento. ,(a) Relleno del tipo de salpicadura. (b)
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pecto del otro. Si bien la explicaci6n dada en el
capitulo 6, referente a las ventajas del contraflujo en un carnbiador de calor conserva su
valor en cuanto a las torres de enfriam iento;
en el diseiio de estas se tienen muchos otros
factor es que afectan a la transferencia de calor. Los tres tipos de torres se utilizan con
buenos resultados.
.-.;-
7.25 Materiales de construccion
,
:
tipo de pelicula se usa en las torres de menor
tamaiio.
7.24 Disposicion del fIujo del
aire Y' del agua
Las torres de enfriamiento pueden clasificarse
en tres tipos, segun las direcciones relativas del
flujo del aire y del agua entre si:flujo paralelo,
contmjlujo, y flujo cruzado. El terrnino flujo paralelo significa que el aire y el agua fluyen en
la misma direccion. En la figura 7.19 se muestra
una torre de, enfriamiento tipo eyectora, en
la cual se utiliza el flujo paralelo. En la disposicion a contraflujo (figura 7.20), el aire y el
agua se mueven en direcciones opuestas. En
el tipo de flujo cruzado (figura 7.22) el aire
El cuerpo de las torres pequefias, ensarnbladas
en la fabrica, generalmente se construye de
metal 0 material plastico, y lleva en el interior
su correspondiente relleno. El metal que corrninmente se utiliza es el acero galvanizado, si bien a
veces se utiliza el acero inoxidable cuando las
torres ope ran en un media altamente corrosivo. Las torres de gran tarnafio, que suelen
arrnarse en el campo de trabajo, generalmente
se construyen con madera de pino 0 de abeto, a
la cual se le aplica un tratamiento de preservaci6n. Sin embargo, cuando los reglamentos
asi 10 indican, las estructuras pueden ser de
metal. A menu do se utilizan tablones de cornposicion mineral en las cubiertas y rejillas.
7.26 Control de Ia capacidad
El control de la capacidad de las torres de enfriamiento es conveniente tanto para conservar
178 I Condensadores y enfriamiento
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la cnergia, como para muntener la presion ell'
desc.uga del condensador, cuando se utilizan
v.ilvulas de expansion. Para var iar el control
de la capaciclad de las tones de enfrinmiento,
se uriliza el ciclado de los veruilndores, () el con11'01 de 1<1
velocidad de los mismos, COil morores
de clos vclocidades. Muchos sistemas rienen
unidades de [01TeS multiples, de manera que las
((lITeS puerlan ser puestas en accion 0 detenidus. tina a 101 vez, EI control pOl' regulacion de
('()mpuertaoSconstituye otro metodo eficaz, gue a
menu do se utiliza en las unidades equipadas
con vern iladores centrifugos. EI uso de la desviacion del <lbl1l<1 del condensador para controlar
la capacidad del conjunto torre de enfriamiento
y condensador, ya se trato con anterioriclad en
este capitulo.
7.27 Operation en invierno
La operacion de las torres de enfriamiento a
tenipemturas pOl' debajo del punto de conge.
lncion, requiere precauciones especiales. EI
control de la capacidad debe disefiarse para
mantener .la temperatura delagua de circulacion por arriba del punto de congelaci6n.
Con el fin de im pedir que se congele el agua
(.'11 el deposito, se puede sumergir en el agua un
serpenrin de calentamiento. Tambien se puede
urilizar till tanque interior de ahnacenarniento:
de esra manera, el deposito de la tone opera
en seco, drenando al tanque. Otro problema
que se 'puede presentar en algunos tipos de
toITes es la formaci6n de hielo en las rejillas,
10 que puede obstruir el tlujo de <lire.En algunos ca$Os se puede im'enir ]a direcci6n del
flujo de aire; para asi calentar y descongelar
las rejillas.
7.28 Perdida de agua
Son tres las C<lusascle la perclida del agua que
cirCllla en una tone de enti'iamientn. La prime·
1'01 causa es la eyaporaci6n requerida para pro·
ducir enfriamiemo. En una condicion tipica de
operacion, par el conjunto torre de enfriamientn .
y condensador circulan aproximadarnente u nos
3 GPM por tonelada de refrigeracion. En estas
circunstancias, se evapora aproxirnadamente
el 1 por ciento del agl.la parap ro duci r el en.
friamienro requerido: esto es, un 0.03 GPM por
tonelada. La segunda causa de la perdida de
agua. es el arrastre de las gotas de agua trans.
portadas hacia afuera par el aire de descarga.
Esta cantidad constituye una pequeria fraccion
de la perdida por evaporacion.
EI agua suministrada a la torre de enfr iamiento contiene solidos disueltos. EI polvo y
la suciedad de los alrededores penetran con-'
tinuamente en Ia torre. La perdida pOl' evaporaciori cia par resultado un aumento de la
concentracion de solidos en el sistema, puesto
que solo es el agua la que se eva para. Si solo se
reemplazara Ia cantidad perdida par la evaporacion. y el arrastre, Ia concentraci6n de soliclos
alcanzaria un nivel al cual se precipirarian fuera
del agua y sobre las superficies como una capao
incrustacum. Esto reducir ia Ia efectividad en J"a.\
transferencia 'de calor del coridensador. Es~~'
problema se maneja mediante la remocion regu::
lar del agua del deposito .de la torre: A est;j
rernocion de agua se le llama drenado 0 pU1g~.'
Esto constituye la tercera causa de la perdida de
agl.la. Normalmente, la cantidad de agua que
se remueve en la purga equivale a la cantidad
que se pierde pOl' evaporacion. En cu alqu ie'r
caso, se deben seguir las recomendaciones de
u n especialista en tratamiento de agua, acerca
de la cantidad de agtIa que se debe remover,
cuando se este ante cualquier duda. Puede ser
necesario l.Itilizar o{ras procedimientos adi'
ci(males para e\'itar las incrusraciones. Este
tema se trata en la siguiente seccion. La reposicion de ilgtl<l necesaria pal'a reemplazar las
perdidas se suministra pOl' 10 comun mediante
una conexi6n que alimenta agua al deposito
de la toITe. La cantidad de esta agua se contro·
141 con una ,,;lInda de flotador instalada en el
dep()sito.
El aire hlllnedo que sale de la torre esta pro·
ximo a su condicion de saturaci6n. Bajo cienas
Torres de enfriamienro I 179
condiciones atmosfericas, puede enfriarse basta
alc(lnzar una temperatura que forme niebla. Por .
10 comun, el unico inconveniente que acornpana
a fa niebla es la molestia que causa su presen·
cia. A veces, es posible eliminar la cambiando
lascondiciones
de operacion.
7.29 Tratamiento de agua
EI tratamiento apropiado del agua constituye
u n aspecto esencial del sistema forrnado POf
la tone de enfrinmiento y el condensador, a
fin de evitar perdida de capacidad, deterioro
de los cornponentes, exceso de mantenirniento y desperdicio de eriergia. EI tratamiento del
agua puede ser necesario debido a cuatro efectos
diferentes: incrustaciones, corrosion, formaciones or:
gdnicas y lodo.
La incrustacitm es 1a capa que resulta de 1£1
precipitaci6n de los solidos disueltos contenidos
en el agua.Esta incrustacion agrega una~esisten·
cia termica (resistencia por incrustacion) a la
tuberia del condensador y reduce la capacidad
de refrtgeracicn del sistema. Algunos tipos de :
incrustacion pueden asirnismo causar el deterioro de los materiales. Como se rnenciono
anteriormente,
la purga 0 drenado se efecuia
principalmente
con el fin de impedir la formacion de incrustaciones. Sin embargo, puede
ser necesario utilizar aditivos quimicos ..
La corrosion es el deterioro de los metales
causado por las reacciones quimicas. Los componentes de las torres de enfriamiento se hallan
sujetos a la corrosion, debido a la presencia del
aire, agua, y sustancias en el agua. EI control de
la corrosion puede llevarse a cabo mediante
diferentes metodos, de los cuales puede ser
necesario utilizar uno 0 mas.
La corrosion se ve favorecida cuando el agua
guarda una condici6n de acidez. La acidez
se mide par una unidad llamada el pH. El agua
que tiene un pH de 7 se halla en una condicion
neutra, Los valores por abajo de 7 indican una
condicion acida; los valores por arriba de 7, indican una coridicion alcalina. EI agua se halla
a menudo en una condicion acida en las torres
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de enfriamiento, debido a que el bioxi do de
carbone disuelto forma acido carbonico, Ex isten otros gases que forman acidos, en pa rt icular en areas industriaiizadas contaminada s, por
ejemplo, el anh idr ido sulfuroso.
La corrosion puede controlarse agreganclo
sustancias quimicas que aumenten el pH del
agua. El problema en este caso, sin embargo,
consiste en que a menudo es necesario ele var el
pH hasta un nivel alcalino muy alto, para e liminar Ja corrosion por completo. Una situ acion
alcalina ·acelera la forrnacion de la incr ustacion.
Este problema se resuelve agregando una
sustancia quimica alcalina, para aumentar eJ pH
hasta alcanzar una condicion ligeramente acida,
y enseguida agregar un inhibidor. Este es un producto quimico que forma una cap a protectora
.sobre las superficies metalicas. Algunos inh ibidores que dan proteccion contra la corrosion
o la incrustacion son los cromatos, polifosfatos
y nitratos.
Lasformaciones orgdnicas incluyen algas, lamas
y hongos. Estos pueden causar e'l deterioro, particularmente de la madera, y pueden cubrir
las superficies de transferencia de calor, reduciendo la capacidad del sistema. Asirnisrno, son
irnportantes los posibles problemas de salud. Los
microorganismos que causan el "mal de los legionarios", se han encontrado en el agua de las
torres de enfriamiento. Las formaciones organicas se eliminant por 10 general, aplicando
dosis periodicas de un biocida como el cion>.
EI polvo y la suciedad del medic circundante
se acurnulan gradualmente en eJ deposito de la
torn! de enfriamiento en forma de lodo. Este
puede removerse rnecanicamente efectuarrdo
una limpieza periodica.
Se debe insistir en que siempre es conveniente contratar los servicios de un especialista
en tratamiento de agua.
7.30 Temperatura de bulbo hiimedo
La temperatura minima a la cual el aire y el
agua se pueden enfriar, se llama la tempe·
180 1 Condensadores
y enfriamiento
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182 I Condensadores y enfriamiento
r.uura de lrulbo I11117ledo del aire (BH). La ternperatura de bulbo luimedo se define conic la
temperatura ala cual el aire se enfria, cuando
eJ agua se evapora en el aire hasta una condicion saturada, sin que se agregue 0 rernueva
calor alguno de la mezcla. EI terrnino condicion
saturada significa que el aire ha absorbido todo
el vapor de agua que es capaz de contener. La
temperatura de bulbo humedo del <lire puede
medirse envolviendo el bulbo sensor de un
rermornetro con una tela lnimeda, yenseguida
agitando el aire 0 haciendo pasar una corriente
de aire a su alrededor. La cantidad de vapor
de agua que el aire contiene, Hamada humedad,
puede enunciarse de varias maneras, tales como
humedad relatiua y relacion de humedad. Mientras
mayor sea la humedad inicial del aire, menos vapor podra absorber. De esto resulta que, su
temperatura de bulbo hiimedo es mas elevada:
esto es,. que la temperatura hasta la cual el
agua puede ser enfriada es asimismo mas elevada, Una discusion mas amplia acerca de este
lema puede hallarse en textos que, tratan del
a ire acondicionado.
" .
Las ternperaturas de dis~ne de bulbo hiimede
y de bulbo seen (reales) se muestran en la tao
bla 14.4.
de rechazo del condensador, si la tOITe se utiliza
en una planta de refrigeracion per compresi6n
de vapor. En el caso de las aplicaciones al aire
acondicionado,
las coberturas de alrededor
de 1OUF son usuales en climas hu meclos, bajo
condiciones de diseiio. La circulacion de agua
de 3 GPM por tonelada y un calor de rechazo de
1.25 veces la carga derefrigeracion,
son cifras
aproximadas correspondientes. Estos valores se
mencionan solo para dar una idea de los nurne.
ros que se manejan. En una aplicacion real, los
calculos deben realizarse bajo suposiciones variables, con el fin de obtener el tamario optimo
de la torre y dernas componentes, que den por
resultado los costos iniciales y de operacior,
mas converiientes.
Debe advertirse que la carga y la cobertura
de temperatura resultante en las torres de en,
. friarniento utilizadas en los sistemas de refrigeracion por absorcion son <:onsiderablemente
mayores que en el caso de un sistema de com.
presion de vapor (ver el 'capitulo 3).
En la tabla 7.5_se muestran las capacidades de
un grupo de torres de enfriamiento, Las capacidades se indican
GPM, puesto que los
fabricantes aSI acostumbran hacerlo.
en
Ejemplo 7.5 Se debe seleccionar una torre de en-
7.31 Capacidad y seleccion de la
torre de enfriamiento
Es conveniente enfriar el agua del condensadol' hasta una temperatura tan ba]a como sea
practice, puesto que las ternperaturas mas bajas
significan menos potencia requerida per el
compresor. (Desde luego, la temperatura no.
debe ser tan baja como para que resulte en
una presion de descarga inadecuada). En realidad, el agua se enfria hasta cerca de unos 5
a 10°F de la temperatura de bulbo hiimedo del
aire entrante. La diferencia entre Ia tempe,
ratura de bulbo humedo del aire entrante y la
del agua que sale se llama la aproximaci6n. El
mimere de grados a que el agua se enfria se
llama cobertura de la torre. La capacidad de la
torre, llamada la carga es, desde luego, el calor
friamiento para una planta de compresi6n de
vapor, con un calor de rechazo del condensador
de 950000 Btu/hr. La BH de diserio del aire
arnbiental es de 76°F. La cobertura 'de enf~ia,
miento esde 10°F, y la aproxirnacion es de 9°F.
Solucion Con el fin de poder utilizar lata,
bla 7.5, se deb en deterrninar los GPM reque,
ridos que corresponden ala carga de calor
de rechazo del condensador.
GPM
Q
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500 x CT
=
950000
500 x 10
190 GPM
La aproximacicn
es de 9°F. La temperatu ra d el agua [ria (a la salida de la tone)
Torres de enfriamient o 1183
,es, por consiguiente, 76 + 9 = 85"F. La
cobertura es de 10°F, y por 10 tanto, la ternperatura del agua caliente, es de 85 + 10
= 95°F. En la tabla 7.5 se observa que una
torre modelo F-120-B tiene una capacidad
adecuada, de 200 GPM.
7.32 Urilizacion de la energia en
los condensadores y en las
torres de enfriamiento
·....
:~::
Muchas de las rnaneras especificas de reducir
al minimo el consumo de energfa relacionado
con los condensadores y torres de enfriarniento, se basan en.rnantener la presion de condensacion tan baja como sea practice, sin causar
problemas de operacion, Algunas de las siguientes sugerencias dependen de esta condicion.
I: Man tener
lim pias las superficies de transferencia de calor, mediante el tratamiento'
del agua y un mantenimiento apropiado.
2. Cornparar 1a potencia requerida para los
condensadores .enfriados por aire, con la
potencia que requieren los condensadores
evaporativos .0 los enfriados por .agua,
3. Utilizar en las torres de enfriamiento me. todos de control de capacidad, que dismin~- "
yan la potencia requerida por 10,S ventiladores.
"
4. .Seleccionar condensadores y torres que ten,gan una gran area de superficie de. transferencia de calor. Diseriar el sistema para
el subenfriamiento
del liquido.
5. Evitar la acumulacion de gases no con densables en el condensador, 0 proceder a su
purga.
"
7.33 Recuperacirin de calor
en el condensador
CoOnfrecuencia, un sistemade refrigeracion
se encuentra en una instalacion en la cual se
necesita, asimismo, energia terrnica. En estas
situaciories, debe aprovecharse el calor de re-
chazo del condensador, puesto que su st it.uve el
de combustibles costosos y no re novu bles. ,
A menu do es necesario calenrar ail-e con
fines de calefaccion y aire aconciicionado, asi
corrro calentar agua para los servicios int er nos.
En algunos casos, la cantidad de calor () Ia temperatura de que se dispone, tomada del condensador de refrigeracicJn, puede tener que ser
complementada,
pero su usn parcial puecle
, nun resultar en una econornia generaL
Hay diversos metodos y tipos de equipos p~lI-a
aprovechar el calor del condensador, y en
cada instalacion se tiene una solucion part icular. Para recuperar el calor proccdente de los
condensadores u otras fuentes, se utilizan arregins 0 dispositivos especiales, como conclerisadores de doble haz, serpentines envolventes,
ruedas termicas y tubos terrnicos. La utilizacion
de este calm:' constituye propiarnente un terna
que se relaciona con .el aire acondicionado
0
el calentamiento del agua. No obstante, en esta
obra se tratan algunos usos cornunes, e nfocados a aspectos de sistemas de refrigeraci6n; sin:
intentarcatalogar la gran diversidad de irigeniosos arreglos disponibles para la recuperacion del calor.'
,",
,
Cuando se trata de condensadores'enfriados
por' agua, una soluciorr sencilla consiste en
enviar el agua caliente del condensador d irectamente a un carnbiador para Iii recuperaci6n
del calor (para calentar aire 0 agua, segCtn se
requiera para el edificio). Cuando no se riecesita el calor, una parte 0 toda el agua del condensador se envia a Ia tOITede enfriarniento de
laomanera normal. Esta disposicion tiene una
gran desventaja, debido a que el agua del condensador, expuesta a veces a Ia atmosfera a
traves del circuito de la torre de enfriamierito,
puede contaminarse 10 suficiente como para
ensuciar considerablemente
Ia su perficie del
cambiador de recuperacion del calor.
Un medio de evitar la contarninacion
del
agua del condensador, consiste en utilizar filtros
de agua finos en extremo, en el circuito del
condensador y la torre de enfriamiento. Estos
pueden, sin embargo, obstruirse rapidarnente
1150
184 / Condensadores
y enfriamiento
Bomba de la IorIO
de enrriamlcn,?
Haz do lube. de I.
torre de enhiamlemc
Condcnsndor de doblo haz do lubos
Haz do lubo.:d.1 slstema
do calentamlento
do calentnrn'ento
Figura 7.23. Dlsposicion de un condensador de
doble haz para la recuperaclcn del calor de un
condensador enfriado por aqua. Condensa el
aqua quecircula a traves del haz del sistema de
.
.
: .'..
quo so ulUl,. tanto
para calcnlar espaetcs como
Agua callerne
Bomba del
aaua
. para alms
nccesidaDas
calefaccion, cuando es necesario. No se rnues-.
Iran las valvulae de control, pasos de desvio y .. i
otros accesorios.
.'
.
.j"
y requerir, entonees, la limpieza por reflujo
.,'
U
del agua.
Otra solucion del .problema de la coritaminacion, consiste en u tilizar un condensador
de doble haz(figura 7.23). Este eondensador contiene dos juegos de tubes para el agua de condensacion, cada uno con suficiente superficie
para manejar el calor total de rechazo. Unjuego
se conecta al circuito de la t9ITede enfriamiento,
y el otro al carnbiador de calor. Cuando se
requiere recu perar calor, se u tiliza el circuito
del cambiador. Puesto que este circuito de agua
esta.cerrado, se evita la contarninacion. Desde
luego, e1 mismo resultado puede obtenerse utilizando dos condensadores por separado.
En los almacenes de alimen tos congelados, se
utiliza convenientemente el calor del condensador. El suelo por debajo de estos edificios
debe mantenerse caliente, para evitar que se
congele debido a las bajas ternperaturas dentro
del almacen. Si el agua en el suelo se congelara,
se dilataria, y levantaria (romperia) el piso y
las columnas de concreto. EI calor rechazado
del condensador de Ia planta de refrigeraci6n,
puede utilizarse para calentar el suelo. Se utiliza
el agua caliente del condensador para ~ale'n.
tar el glicol u otro liquido de bajo punto de
congelacion, en un cambiador de calor. El glicol '
se hace entonces circular por tuberias iristaladas debajo del piso.
i:
La recu peraci6n del calor del condensador
puede reducir el consumo de la energia utili·"
zada en la refrigeracion y acondicioriarniento
de aire en los superrnercados. Esta recuperacion a menudo se combina con otras tecnicas
para ahorrar energia. Los superrnercados ge-:
neralmente utilizan equipos de refrigeracion
central, para dar servici'o a los exhibidores de
alimentos en la tienda. Puesto que se debe suo
ministrar refrigenici6n todo el afio, el calor del
condensador puede utilizarse' para calentar
el aire destinado a la calefaccion de la tienda,
y para el sistema de aire acondicionado. En
la figura 7.24 se muestra una instalacion elemental. Cuando se requiere calefaccion, el gas
caliente se desvia del condensador enfriado
por aire, a un serpentin de calentamiento situado en Ia unidad de distribucion de air-e.
El calor del condensador puede asimisrno
utilizarse en un serpentin de calentamiento para
Torres de enfriamierrto
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Figura 7.24. Dlsposicion en la que se utiliza el gas
caliente proveniente de las unidadesde refrigeracioll
.deunsuperrnercaco, para' calentar (0 recalentar)
los serpentlnes de las tinidades de aire acondicionado de la tienda.
EI ..:
terrnostato controla
la posicion
,
~:
.
: . i', . .
de la valvula de tres vias para desviar,. cuando es
necesario, el gas caliente del condensador al serpentin de calenta'ffiiento en la ~nidad de aire aeondiclonado de ta tienda.
'
.'.,
calentar nuevamente el aire frio que se suministra a 1a tienda en el verano. El recalentamiento se utiliza para controlar la humedad en
los espacios. (Es conveniente manterier baja la
hurnedad en un superrnercado, para hacer minima la carga de calor latente, y la acumulacion de escarcha en los exhibidores abiertos.)
En el equipo de aire acondicioriado, el aire se
enfr ia hasta una temperatura baja can el fin
de deshumidificarlo, y luego se caliente nu evamente para proporcionarle una temperatura
agradable e inyectarlo ...
Otra practica comun para ahorrar energia en
los supermercados, consiste en extraer el aire
de recuperacion de la tienda, tornandolo al
nivel del piso del ante de los exhibidores, y
haciendclo pasar a traves de las fosas que alajan los tubas que conducen el refrigerante a
los exhibidores (figura 7.25). Puesto que' el
aire junto a los exhibidores tiene una temperatura mas baja que la temperatura del aire en
la tienda, se ahorra energia cuando el aire mas
frio se retorna al serpentin de enfriamiento del
aire acondicionado. Un beneficia secundario
derivado de esta disposicion, consiste en que
extrayendo el aire frio, las condiciones junto
a los exhibidores se hacen mas confortables
para los clientes.
Podr ia asimismo observarse, aunque esto
no constituye tampoco una recuperacion del
186 I Condensadores y enfriamiento
,
/
~
----'-
Alre rrio de retorno,
desde fa tienda hasta
las unidades de aire
acondicionado
tt
Procedente de los
escaparates de
exhibici6n
Aire de
retorno
;':
'.'1,-.:
;~.;:
~
;J;:.
iLtW:ll
w'J!:
11
Corte de un escaparats de exhibici6n.
EI aire de retorno de la !ienda se.
enlrfa a medida que pass ceres del
escaparete, de esta manera, tamblen
se renra el aire Irlo Quepodria
molestar a los clientas
Corte a traves del extreme
de la trinchera de las
tuberias
Figura 7.25 Retorno del aire que se encuentra alrededor de los exhibidores, pasando a traves de las
fosas que alojan los tubos conductores del refrige-
rante.rpara ahorrar energia y mejorar el contort.
(Reimpreso can permiso del Applications ASHRAE
Handbook and Product Directory'delano 1982).
calor del condensador, que cuando se calcula
la carga del aire acondicionado en el supermercado, e] efecto enfriador del conjunto de exhibidores se resta de la carga previamente
calculada para obtener la verdadera carga del
aire acondicionado. Esto, desde luego, da por
resultado un tarnario rnenor del equipo' seleccion ado y pOl' logeneral una 'operacion mas
eficiente.
;,
'
OtTO uso posible del ahorro de energia derivado del calor del condensador, que debe
tomarse en cuenta, se refiere a la descongelacion
de ]05 serpentines evaporadores que operan a
una temperatura en la superficie pordebajo
del punto de congelacion. Hay diversos metodos de utilizar el gas refrigerante caliente para
descongelar, los cuales se tratan en e1 capitulo 12.
3. Nombrar y describir los tipos de coridensadores enfriadospor agua, clasificados segUn su construccion.
4. Enumerar las ventajas y desventajas rel~.
tivas de los diferentes tipos de condensadores'enfriados pof agua.
5. Explicarelsignificado
del terrnino purga~
6; ~CiJales 5011 'los gases' no -coi{densable~?
~Que efecto pued~~ tener? "
"
7. 'Enuh1e~ar las ventajas y desv~htajas rel~tivas de los condensadores enfriados par
agua, par aire y los evaporativos.
8. Describir tres metodos de operar un' con.
densador evaporative en invierno.
9. ~Por que es necesario el control de altz
presion de condensacion? (Como se llevs
a cabo?
10. (Por que es necesario el control de bajc
presion de descarga? ~Corno se efecnia?
11. Nombrar y describir cuatro rnetodos par;
el control de baja presion de descarga uti
lizados en los' condensadores enfriado
por aire. Discutir sus ventajas relativas.
12. Dibujar un esquema de Ia disposicion d.
un control de baja presion de descarg
en el lado del refrigerante, para un cor
densador enfriado por aire.
PREGUNTAS DE REPASO
r~;~~:":",
Ii;
1,(\:
1. ,eual es el objetivo del condensador del
refri geran te?
2. Nombrar y describir los tres tipos de condensadores, clasificados segun los medias de
enfriamiento, y como se utiliza el media.
>
'
Problemas I 187
13. Nornbrar y c1escribir tres tipos de control
de baja presion de descarga para un con den-
i=
""
.:;:
""
'~i;
or:
q
.;'
"
.~.
-:.::
"
sador evaporativo.
14. Deseribir la dispos icion de un control de
baja presion de desearga en un condensador enfriado por agua, que utiliza el agua .
una sola vez.
15. Describir tres metodos em pleados para
el control de baja presion de descarga en
los conclensadores enfriados pOl' agua, que
utilizan el agua recirculada en una t01Te
de enfriamiento.
] 6. (Que es una unidad de condensacionr ~Cua·
les son sus ventajas?
17. (Como se enfria el agua en una torre de
enfriamiento?
1S. Ademas deuna terre de enfriamieruo, (que
otros medics se utilizan a veces para enfriar el agua? (~uales son sus desventajas?
19. (Que significa el terrnino tiro?
.20. Nombrar dos tipos de torres con tiro no
mecanico, y' explicar su operacion, (Como se
obtiene el movirniento del aire? ,::Cmlles
son sus ventajas y desventajas cornparadas
con las tones de tiro mecanico?
2 I (Que significa tiro forzado y tiro inducido?
22. Discutir las ventajas y desventajas relativas de los ventiladores cenrrifugos compa·
rados con los ventiladores axiales, cuando
se utilizan en las torres de enfriamiento.
23. cCual es el objetivo del relleno? (Cuiles
son los dos tipos que se utilizan?
24. Discutir los procedimientos
para operar
las torres de enfriamiento en invierno.
25. Mencionar las tres causas de la perdida de
agua en la operaci6n de una rorre de enfriamiento. cQue ocurrirfa si no se practicara la purga de agua?
26. Enumerar y describir los posibles efectos fisicos y quimicos que pueden requerir tratamiento del agua en las torres de enfriamiento.
27. ~Que es el pH? (Que valores represeman
las condiciones acidas, neutras y alcalinas?
28. ~Que es un inhibidor? ~C6mo se utilizan
en el tratamiento de agl.la en las torres
de enfriamienta?
"2~l. ~Ql.le tipos de formaciones ()rg;l.nica~ t ienen irnportancia
en las torres de e n triamiento? (Cu;iles son sus posibles efectos:W. Explicar el significado de los term inos
aproximarion, cobertura » bulb» lninietl«),
:~I. (Que es u n coridensudor de doble h a», y
cual es su objetivo?
.12. Nornbrar algunos de los m etodos para reo
c1ucir el lIS() de la energia en el diserio del
coridensador y la tone de enfriamien to, SlI
operacion Y Sll mantenimiento.
PROBLEMAS
7.1 Seleccionar el condensador enfriadci por
agua mas pequefio que se requ iere para la sigu ienres condiciones: la carga de refrigeruciori
es de 35.0 toneladas; la potencia del com presor es de 42 kW; el refrigerante es R-12; la'
temp-eratura de condensaci6n es de l05f1F;
la temperatura del agua de corrdensacion
que
se alimenta es de SO"F; el aumento de la temperatura del agua de condensacion es de 12°F;
el factor de incrustacion es de 0.0005.
7.2 SeJeccionar el condensador enfriado pOl'
agua mas pequerio que se requiere, para las
siguientes condiciones: el calor de rechazo del
condensador es de 730000 Btulhr: el refrigerante es R-22; la temperatura de condensaci6n
es de 105°F; el agua de eondensaci6n entra al
eondensador a 85IJF y sale a 951JF; el factor de
incrustacion
es de 0.001.
7.3 Seleccionar un condensador enfriado
por agua, para un sistema que utiliza refr igerante R·502, en Dallas, Texas, con u n calor
total de rechazo de 340 000 Btu/hr. La diferencia de temperatura es de 18°F.
7.4 Seleccionar un condensador enfriado
por aire para un sistema que utiliza refrigerante
R-22, con Ull calor total de rechazo de 180 (JOO
Btu/hr, instalado en Denver, Colorado (altitud
aproximada de 5 000 pies). La diferencia de
temperatura es de 20°F.
7.5 Seleccionar una torre de enfriamiento para una carga (capacidad) de 1.76 mi-
188
J
Condensadores y enfriamiento.
nones de Btu/hr, operando en Chicago, Illinois. La cobertura de enfriamiento es de
15°F, y Ia aproximacion es de lOoF. La BH es
de 78°F,
7,6 (Cual sera la capacidad de calor de rechazr,
deuna torre de enfriamiento modelo F-175A con
una BH de diseno del aire ambiente de 78°F, una
aproxirnacion de 7°F, y una cobertura de lOoP.
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Capitulo
'-~'t
DISPOSITIVOS DE CONTROL DE FLUJO
(DE EXPANSION) DEL REFRIG.ERANTE
Ya se estudiaron tres de los principales componentes de un sistema de compresion de
vapor: el compresor, condensador, y evaporadar. El cuarto componente principal, que se
trata en este capitulo, es el dispositive de control deflujo, Hamada tarnbien dispositivo de expansion 0 de dosificacion. Existen varios tipos
de dispositivos de control de flujo. Se estudiaran el funcionamiento, construccion, y aplicaclones de estos dispositivos.,
8.1 Objetivodel dispositivo de control
de flujo
EI dispositivo de control de flujo debe realizar dos ftinciones en un sistema de cornpresion
de vapor.
!
1. Debe regular ei'flujo del refrigerante liqu ida que se alimenta al evaporador, segun sea
la demanda.
2_ Debe crear una caida de presion, desde el
lado de alta allado de baja del sistema. Esta
caida de presion da par resultado la expansion del refrigerante que fluye, haciendo
que una pequefia cantidad del mismo se
evapore, de manera que se enfrie hasta la
temperatura de evaporaci6n.
;i".,
-
,
"
~'
'"
- ,f"
'
, "
EI estudio de este capitulo perrnitira:
1. Explicar las funciones de los dispositivos de
control de flujo del refrigerante.
2. Enumerar y describir cada tipo de dispositivo de control de flujo.
.
3. Comprender cuales son las aplicaciones y
limitaciories de cada tipo de dispositive de
control de flujo.
4. Explicar la forma en que una valvula de expasion terrnostatica controla el sobrecalentamiento.
5. Comprender los factores que deben tornarse en cuenta para seleccionar entre los diferentes tipo de VET (valvula de expansion
En la mayoria de los casos, el dispositivo de
control de flujo debe alimentar al evaporador
el refrigerante Iiquido en la rnisma proporcion
en que el compresor 10 bombea desde el evaporador. Esto es, eI evaporador no debe sobrealimentarse ni subalimentarse. EI dispositive de
control de flujo debe reaccionar ante un cambia en las condiciones, las que requieren a su
vez un cambio en el flujo. Cuando aumenta la
carga terrnica en el evaporador, el dispositive
de control de flujo debe reaccionar y alimentar mas refrigerante, y debe reducir el flujo
cuando disminuye la carga. Se vera que cada
terrnostatica).
189
190 / Dispositivos de control
ejecuta su funci6n de una manera
diferente, y que en efecto algunos de ellos no
10 hacen de un modo satisfactorio bajo ciertas
circunstancias. Este es uno de los motivos por
los que se dispone cle diferentes tipos de dispositivos de control cle flujo, y pOl' 10 que cada '
uno de ellos tiene una aplicacion
cliferente.
Otro punto que es necesario explicar es que
el dispositive de control cle ilujo no es un dispositive de control cle presion. En algunos
casos es conveuiente
co ntrolar la presion del
evaporador 0 la de succion, manten ie ndola fija en u n cierto valor, o limitarla a un valor elevado 0 bajo, 0 ambos. En la mnyor ia de los
cnsos, el control cle flujo no s610 no controla
la presion dellado de baja, sino que puede origi,nar problemas debido a que permite que varie la presion. Cuando es necesario controlar
la presion, pueclen requerirse dispositivos adicion ales (ver capitulo 11), 0 la modificacion del
dispositive
de control de flujo, '0 ambos. EI
efecto qu~ puede tener el dispositivo de control del flujo sobre 1£1presion se discu te mas
udelante en este capitulo.
dispositive
~
..,.
",
8.2 Tipos de,dispositivos de control de
flujo
Todos los 'dispositivos de control de flujo tienel.l una abertura 0 pasaje restringido, el cual
crea la diferencia de presion necesaria para llevar a cabo sus funciones de expansion. La rnayor ia de los dispositivos se construyen como
valvulas; esto es, el pasaje restringido puede
abrirse 0 cerrarse, y en algunos casas puede reo
gularse entre totalmente abierto y totalme nte
cerrado. Entre estos tipos se encuentran la udlvula de expansion manual, valvula de expansion termostdtica, udluulas de flotador de lado de alta y de
baja, y valvula de expansion auiomdtica.
Otros dispositivos de control de flujo 0 de
expansion tienen una abertura de restr iccion
cuya dimension es invariable. Estes tipos incluyen el tuba capilar y el orificio. Algunos dispositivos de control de flujo son mas apropiados
para los evaporadores de expansion directa;
otros son apropiados para los evaporadores
inundados, como se. vera mas adelante.
8.3-Valvula de expansion manual
Se trata de una valvula que se ajusta manualmente a fin de alimentar mas 0 menos refrigerante, 'segun sea necesario. Se utiliza una
valvula de aguja, debido a que con este tipo es
posible lograr incrementos precisos. La valvula de expansion manual 5610 es satisfactoria
cuando se dispone normalmente de un opera·
dor para manipularla, y aun asi, solo si la car:
ga no cambia bruscamente. Esta valvula se
Dlafragma "D"
~ Salida al
evaporador
Bulbo remote "E"
Enlrada desde el recibidor
Figura 8.1 Seccion esquernaticade una valvula
de expansion terrnlca (VET) del tipo de igualador interno.
La valvula de expansion terrnostati ca I 191
utilizaba antes de que se desarrollaran los dispositives de control de flujo de tipo autornatico. Por 10 general, no es adecuada para trabajar
. con las condiciones que se encuentran en los
sistemas modernos.
LA VALVULA DE EXPANSION
TERMOSTATICA (VET)
De todos los dispositivos de control de flujo,
el de mas amplio uso es la valvula de expansion
termosuitica (VET). Se puede utilizar con sistemas de cualquier capacidad, ya sea con serpentines de expansion directa 0 con enfriadores
de Iiquidos, de expansion seca.
';
Realiza un excelente control automarico del
flujo del refrigerante al evaporador, en la proporcion requerida, sobre una amplia gama de
cargas, mieritras mantiene en operacion 1a mayor parte de ]a superficie de transfererrcia de
calor a fin de evaporar el refrigerante a pesar
de las variadas condiciones. Esto con tri buye a
mantener las necesidades de potericia en un
nivel bajo.
8.4 Construccion
La figura 8.1 representa un diagrama esquematico de las principales partes que actuan en la
valvula de expansion terrnostatica. La figura
8.2 es una vista en corte que muestra la valvu-
~
Figura B.2 Vista en seccion de una valvula de expansion terrnlca, del lipo de
igualador interno (Sporian Valve Co.)
.._
:, ..
192 I Dispositivos de control
la y sus componentes. La observacion cuidadoporador, segun sea necesario, bajo demandas
perrnitira comprender de
variables de la carga. Asimismo, debe dar como
una manera mas clara su funcionamiento.
resultado la utilizacion de toda la superficie de
La figura 8.1 rnuestra como el refrigerante
transferencia de calor del evaporador, para la
liquido fluye por la abertura entre el asiento
evaporacion del refrigerante, sin im portar los
y la aguja de la valvula. La restr iccion de la
cambios en las condiciones. En la explicaci6n
abertura produce la caida requerida de presion
que se presenta a continuacion, sobre la mapara lograr la expansion del refrigerante.
nera como funciona la valvula de expansion
EI resorte empuja la aguja y tieride asi a
terrnostatica, se examinara 10 bien que se ajusmantener cerrada la valvula. La guia del resorLa a dichas necesidades.
re 10 mantiene alineado yen su lugar. EI vastago de ajuste se puede haeer girar a fin de
Presiones de operaci6n. Tres son las presiones
aurnenrar 0 disminuir la presion del resorte.
que acnranpara accionar la valvula a una poUn diafragma flexible esta conectado a las
sicion abiertao cerrada (figura 8.3).
varillas de ernpuje, que a su vez estan coriectaLa presion del bulbo (Pb), resultante de la
das a la aguja. EI movimiento descendente del
presion ejercida por el fluido en el interior del
diafr agma separa la aguja del asiento y abre
bulbo, el vastago y la cabeza de la valvula, acel or ificio de la valvula.
tua sobre la parte superior del diafragma a fin
La parte superior del diafragma esta coneede abrir la valvul a, La presion p, del resorte
{ada a un tubo largo de diametro pequerio.
acnia sobre Ia aguja con' el fin de cerrar la val.
Hamada el tubo capilar, y luego a irn bulbo
vula. La presion Pf del ~vaporado,r,actua sobre
hueco. EI bulb6, ei tubo y la carnara sobre el
Iipar~~'i~r.feti9T del ~~;~,rragm~'p~ra cerrar la
, .. . :;;:';~~
.~;~
.
.~.'.~:~~:;:..:.-'
.
diafragma constituyen un solo espacio cerra do,
el cual contiene un fluido que ejerce presion
"
l: ~':::':.}:.;".<~.,-~".;~,'.<\~',
. _,:_
..~._~.',' .'
.PA~§k)N'·'D~L'~'UL~()(Pb).
sobre el diafragma.EI bulbo esta unido a la linea
'---:~.
~'~~~,(.~':.:.:
I
'.
,'~,(, '.:';.,. ,
de succi6n, cercano el evaporador, hacie~do u'ri,
'.~~~.!:~,:r>\
-;
buen contacto con la linea de succion, a 16 lar-.,
~~\"'''':'
go de toda la longitud del bulbo.
". ..' ';.
En la figura 8.2 se ven las- mismas parte.~~' ,.
montadas en el (uerpo de la valvula. A la part~. " co'
superior junto con el diafragma se Ie llama
cabeza de potencia 0 elemento de fuerza. El
vastago de ajuste esta cubierto con una tuerca
removible con el fin de darle proteccion. Se .(
observara que un orificio interior conecta la
salida de la valvula con el espacio debajo del
diafragma. A esta conexion se Ie llama igualador '.
inferno. Se estudiara ahora este tipo de VET,
y mas adelante otro tipo que no tiene un igualador interno.
sa de su contruccion
:,
-'
.:';
',
':.'
':-~
-, :-
.-,.~:
.'
'
-,
"
• .0',-:
Salida
8.5 Funcionamiento de la valvula de
expansion termostatica
,... '
El dispositive de control del flujo ideal debe
regular el f1ujo del refrigerante liquido al eva-
Fuerza para abrir '" f~erza para cerrar
Pb = P, + Pe
Figura 8.3 lIustraci611de las presiones que actuan
en una valvula de expansion terrnlca,
La valvula de expansion termostati.ca I 193
las presiones de apertura y cierre se equilibran mutuarnente, la aguja de la
valvula se encuentra en una posicion fija y estable. Esto es, cuando la valvula ni se abre ni
se cierra, existe el siguiente equilibrio de presiones
Por supuesto que estos valores se pueden hallar
en las tab las de propiedades saturadas.
valvula. Cuando
Ph = Pr+ P,·
Control del sobrecalentamiento. Ya se ha hecho
notar que, a fin de asegurarse de que el Iiquido refrigerante no entre al compresor, es practica cormin hacer que el refrigerante salga del
evaporador ligeramente sobrecalentado. Se recordara que el sobrecalentamiento
se define
como la diferencia entre la temperatura real
del vapor sobrecalentado y su temperatura de
saturacion, a la misma presion. Por 10 general,
es satisfactorio que la valvula controle un sobrecalentamiento de 6°, alOoF, para proteger
el compresor,cuando tiene lugarun sobrecalentamiento adicional en la Iinea de succion. No es
posible controlar el sobrecalentamiento a exactamente O°F, sin que se corrael riesgo de queuna
cierta cantidad de liquido entre a 1alinea de suecion. Por otra parte, un exceso de sobrecaleritamiento indica que la superficie de transferencia
de calor no se utiliza con eficiencia.
(S.l)
Si la presion del bulbo (de apertura) es rnayor que la presion total de cierre (la presion
del resorte mas la presion del evaporador) la
valvula se movera hacia una posicion aun mas
abierta que antes, y fluira mayor cantidad de
refrigerante. Por otra parte, la valvula tratara
de cerrarse mas, si las presiones de cierre son
mayo res que la presion de apertura.
La carga del bulbo. EI fluido que Ilena el bulbo
se .conoce como la Glrga de la valvula. Se
dispone de diferentes tipos de cargas. Esto es, es
posible variar tanto la clase de fluido .corno
su cantidad. EI tipo de ,carga afecta la opera·
cion de la valvula bajo ciertas condiciones. Se
discu tira Ia operacion de una valvula de expansion terrnostatica utilizando una carga con·
vencional de liquido. (Conocida a veces s610
COJIl,O ,una cargq, de liquido). Mas adelante se
discutira la manera como oper:a una valvula
cuarido tiene una carga de gas, 0 una carga
mixta.
..:.
Se utiliza la misma sustancia para la carga
liquida (convencional) y para el sistema de reo
frigeraci6n. Esto es, si el sistema utiliza refrigerante R·12, la carga del bulbo tambien sera
R)2. Adernas, la cantidad de carga con la que
se llena el bulbo es losuficienternente
grande
de manera que siempre haya en el bulbo una
mezcIa de Jiquido y gas, a eualquier temperatura y presion que se puedan encontrar.
Es esenciaI en este pun to, recordar que pues·
to que hay una mezcla de liquido y de gas, la
carga se encuentra siempre en una coridicion
saturada. Por consiguiente, cualquiera que sea
su temperatura, la carga liquida ejeree solo una
posible presion, que es su presion saturada.
o
\"' La valvula de expansion. termostdtica opera con, trolando un sobrecalentamiento constante, en las
condiciones de salida del evaporador. Conviene aho-
l
~a ver como se realiza esta operacion, tomando
como ejemplo un conjunto especffico de condiciones, en el que se desea mantener 10°F de
sobrecalentamiento a la salida del evaporador.
Las condiciones se muestran en la figura 8.4.
El sistema utiliza refrigerante R-12,con una
valvula convencional de expansion eargada
con liquido. La valvula esta
su posicion estable, es decir, todas las fuerzas estan en equilibrio. La temperatura del evaporador es de
20°F. Por consiguiente, la presion del evaporador es de 21.1 lb/pulg'' man. correspondiente a la presion de saturaei6n. La presion del
resorte se ha fijado a 7.4 lb/pulg''. La fuerza
total de cierre es igual a la suma de estas dos
presiones. Si la valvula se halla en una posicion
estable, La fuerza de apertura (del bulbo) debe
ser igual a dicho. valor. Esto es, '
en
o
Pb
man
0
=
Pr + Pe =
'0
7.4 + 21.1 = 28.5lb/pulg"
?
0
194 I Dispositivos de controt
.2
Pb '" 28.5 Ib/pulg man,
Po = 21.1 Ib/pulg2 man.
21.1 /bJpulg2 man., (20aF)_
(20<F)
.'.
28.5 Iblpuig2 man., :loaF
AL COMPRESOR --
21,7 IbJpulg2 man., 30'F
~------------------------------~
=
SobrecaienlamienlO
30 - 20 = 10°F
Figura 8.4 Ejemplo deIas condiciones de operacion necesarlas para produclr un sobrecalentamiento de 10°F, con una VET,
Puesro que la earga del bulbo mmbien consiste de refrigernnte R:12.d cual esta en lin
esrado de saturncion. es posible determinar
su temperatura
a 28.5 lb/pulg" man, romandola de las tab las de las propiedades de saturacion, que indica un valor de 30°F. Esta debe
ser rambien la temperanrrn del refrigerante en
el sistema. a la salida del 'evaporador, puesto
que la linea de succion y el bulbo estan unidos uno al otro )' tienen un buen contacto termico. POI' consiguienre. eJ refrigerante sale del
evaporudor con un sobrecnlentanriento' igual
a :W-20 = lOlly.·
.~Si se quisiera cambial'
.
el sobrecalentamieuseria necesario ajustar la presion del resorte. Por ejemplo si se requiere
111ayorsobrecalentaruiento,
se debera aumentar la presion del resorte, porque esta operacion aurnentara Ia fuerza total de cierre. Esto
had que la valvula se cierre aun mas, reduciendo el flujo del refrigerante. Como Ia carga termica es la misma, el refrigerante saldra del
evaporador con un sobrecalentarniento mayor.
Esto hara que aumenre la temperatura del bulbo, y por consiguiente la presion, )' la valvula
dejarti de cerrarse. Sin embargo, la utilizacion
to, unicarnente
de la superficie de! evaporadorsera
menos efi-
ciente,
Conviene ahora ver como responde hi VET
si cambiara la carga terrnica de refrigeraci6n:
Si aumenta Ia carga terrnica, el refrigerante sai~
dra del evaporador con un mayor sobrecalentamiento. ~umenta Ia temperatura de la carga del
bulbo, y por consiguiente su presion, segu n'sus
caracteristicas de presion. y temperatura de sa:
turacion. Esta condicion aumenta lei fuerza de
apertura en el diafragma. La valvula se abre aiin
mas, au menta el flujo del refrigerante, y eI S')brecalentarniento
disrninuye para volver asu
condicion inicial.
/- Si la valvula alirrienta demasiado refrigerante para la carga que se maneja, como oeurre
si la c~rga disminuye subitarnente, disminuye
.....el sobrecalenramiento.
Esto hace bajar la temperatura del bulbo y la presion de la carga,
reducieridose Ia fuerza de apertura. La fuerza
de eierre es temporalmente mayor, y mueve Ia
valvula a una posicion todavia mas cerrada.
Ahora fluye menos refr igerante, y este se 50brecalienre de nuevo a Ja salida del evaporadol', hasta que llega a1 sobrecalentamiento
inicial.
";.:.": -.
La valvula de expansion termostatjica I 195
EI siguiente ejemplo ilustra como se puede
en el campo de
trabajo.
medir el sobrecalentamiento
Ejemplo 8.1 La presion de evaporacion de un
sistema que utiliza refrigerante R12, con una
VET cargada con Iiquido es de 37.0 Ibfpulg2
man. ~Cual debe ser la temperatura del b1.l1bo
(la temperatura de succion), a la salida del evaporador si se desea obtener un sobrecalentamiento de 8°F? ~Cual es la presi6n del resorte
para esta condicion?
"
("
Soluci6n La temperatura de evaporaelOn
del refrigerante R-12, correspondiente a
37.0 Ih/pulg2 man es de 40°F. Por tanto,
Ia temperatura de sued on debe ser
tbulbo
=
=
tevap
+ sobrecalentarniento
=
40 + 8
48°F
La presion del bulbo a 48°F es de 44;7
Ib/pulg2 man., para el R-12. Por consiguiente,
la presion del resorte es de
Pr = h - Pe =
44.7 -
37.0
=
7.7 Ih/pulg2
man.·
El ejemplo siguiente ilustra el efecto que tiene el cambio de la presion del resorte en el sobrecalentarniento.
del evaporador es de 54·40 = 14°F ..Esto
indica que gran parte de la superficie del
evaporador no se esta utilizando para obtener el efecto de refrigeraci6n iiti I, y que
se Ie esta subalimentando.
8.6 El efecto de la caida de presion en
el funcionamiento de la VET
Cuando existe una caida significativa de pre·
sion entre la salida de la valvula y la salida del
evaporador, la valvula de expansion terrnostatica equipada con un igualador interne, no funciona de .manera apropiada, Esto se compren·
dera mejor examinando las condiciones para
una situacion especifica. Supongase que la VET
equ ipada con u n igualador interno que se utilizo en el ejemplo 8.1, se instala en una uriidad
con una caida de presion en el serpentin del evaporador de 10 Ib/pulg~. La temperatura de entrada en elevaporador sigue siendo de 40°F. La
presion del resorte seajusta a 7.7 Jb/pulg2"Ja
cual producira un sobrecalentarniento de. 8°F,
en el serpentin sin cafda de presion, como se dernostro en el ejemplo. Las fuerzas de cierre son
las misrnas. 'El igualador interne resulta con
una presion de 37.0 Ib/pulg2 man correspondiente a 40°F. La presion del bulbo {de apertura) no abrira la valvula hasta que alcance el
valor• de las fuerzas de cierre, a I.:
.
Pb = Ps + Pe =
Ejemplo 8.2 Si en la unidad del ejemplo 8.1 se
aurnenta Ia presion del resorte a 13.9 lb/pulg '
haciendo girar el vastago de ajuste, ~cual es el
efecto sobre el funcionamiento del sistema?
Solucuni La presion del bulbo es ahara
Ph
=
Ps + p,
=
13.9 + 37.0
=
50.9
Ib/pulg2
A esta presion, la temperatura de la carga
de R·12 es de 54°F, de acuerdo con las tao
blas de saturacion, Por consiguiente, e1 so·
brecalentamiento del refrigerante que sale
: ""~'
7.7 + 37.0
=
44.7 IbJpulg2
man:
La carga del bulbo alcanzara estapresion cuando suternperatura de saturacion llegue a 48°F;
esta debera ser tambien la temperatura del
refrigerante que sale del evaporador. Esta temperatura del refrigerante es la misma a la que
la valvula ejerce control en los serpentines,
cuando no hay caida de presion.
Sin embargo, Ia presion del refrigerante cerca de la salida del evaporador, ha disrninu ido
10 Ib/pulg2 hasta 27.0 lb/pulg ' man., como se
muestra en la figura 8.5. La temperatura de saturacion correspondiente (de evapor'acion) a
196 I Dispositivos de control
. Pb 44.7 Ib/pulg2 man.
p.
=
37.0 Iblpulg2 man.
37.0Ib/pulg2 man., (40"F)--
44.7
Ib/pUIg2
man., 48'F
27.0 Ib/pulg2
man.. 28'F
"';.,'
AL COMPRESOR _.,.,_
27.0 Ib/pulg2 man., 4S'F
~----~~----------------------=
=
Sobrecaleritamiento
46 -
28
20°F
Figura 8.5 Etecto de la caida de presion del eva~
poradar, sabre el funcionamiento con una VET del
tipo ue igualador interne.
la salid~ del evaporador serade 28°F. Par con-'
siguiente. el refrigerante sale del evaporador
con {insobrecalentamientode48
- 28:;= 20.I1F.
lugar de un sobrecalentamiento de 811F. Es
decir, 1<1 valvula controlara con un sobrecalenramienro de 20°F_ Una parte considerable de
la superficie derransferencia de calor no se utiliza
para larefrigeracion, debido a que el evaporador
carece de la cantidad requerida de refrigerante.
E5 probable qllf el sistema noproduzca la capacidad de refrigeracion para la que se disefio,
en
:,'
-
"
•
!.',
8.7 La VET con igualador externo
Ya quedo estahlecido que el uso de una valvula de expansion equipada can un igualador inlerna, en unevaporador cuyacaida de presion
es considerable. subalimeuta al serperuin, produce un exceso de sobrecalentamiento,
y reduce la capacidad del sistema. La causa de este
problema esniba en el hecho de que una de.
las fuerzas de cierre, la que precede de la conexio n del igualador interne, detecta la presion a la en trada del evaporador, y no la
presion a la salida del mismo, que es de donde se desea te ner control.
EI problema se puede resolver urilizando
una valvula de expansion terrnostatica equipada can un igualador extetno (figura 8.6). Esta val;
vula no tiene un orificio para el igualador
interne. Tiene en 50 lugar, una abertura al exterior en el cuerpo de la valvula, debajo del diafragma. Esta abertura se debe conectar por
medio de una Iinea extern a de igualacion, a
un punto mas alla de donde tiene lugar la caida
signifieativa de presion. Este punta se encuentra generalmente en la linea de succiona la salida del evaporador.
(Es precise hacer la
conexi on despues del bulbo, por razones que
se explicaran mas adelante), En estas condico
nes, la valvula no se ve afectada por la caida
de presion en el evaporador,
Ejemplo 8.3 Una VET eargadade liquido y provista de un igualador externo, se instala en un
sistema que utiliza refrigerante R-12, y tiene
una caida de presion de 10 IbJpulg2 en el serpentin del evaporador. La temperatura de entrada al evaporador es de 40oF_ La presion del
resorte es de 7.7 lb/pulg". cA que valor de 50brecalentamiento
se efectuara el control de la
valvula?
La valvula de expansion terrnostati ca 1197
.....Salida al evaporador
BU~
...=-_.
Compensador externo a la lInea
de succlon en un punto mas
alia del bulbo remoto.
.,
Figura 8.6 Seccion esquernatica de una VET del
tipo de igualador externo (utilizada con una calda
de presi6n elevada en el evaporador). .
Entrada desde el recibidor
La temperatura del bulbo a 34.7. lb/pulg~
man., para, ~J R·12 saturado, es de ap roximadamente.Sdvf'. Esta es la temperatura
del refrigerante a 1asalida del evaporado-,
La temperatura de saturacion del refrigerante que; sale del evaporador, correspondiente a 27.0 Ib/pulg2 .man., es de
28°F. Por c;onsiguiente, el .sobrecalenra.
mien to del refrigerante a 1asalida. del eva.
porador, ,es igual a 38·2,8 = lOIlF:.: ';
Solucion Las condiciones se muestran en la
figura 8.7. La presion a 1aentrada del evaporador es de 37.0 Ib/pulg2 man, que es la
presion de saturacion correspondiente a
40°F, en el caso del refrigerante R-12. Pero la fuerza de cierre procedente del igua.
lador externo es igual a la presion de salida
del evaporador: 37.0 ---: 10.0 = 27.0
Ib/pulg2 man; Se puede ahora determinar
la presion del bu1bo:
Ph
=
Pr + Pe ::; 7.7 +
27.0 ;:; 34.71b/pulg2
Los resultados del ejemplo 8.3 muestran que
eluso dela valvula con .igualador-exter no, en
man.
. Ph·; 34. 7 Ib/pulg2 man.
.:';.
Pe = 27.0 Iblpulg2 man.
37-,0 Ib/pulg2 (40"F)~.
f'ps
34.7 Iblpulg2 man.,
27.0 psig, 2soF
3ScF
Succion al
compresor
= 7.7 IbIPUI9~
27.0 Ib/pulg2 man., 3S"F
Sobrecalentamiento
:=
38 -
28
Figura B.1 Condiciones de operaclonpara el ejemplo
8.3 con calda de presion del evaporador, utilizando
una VET del tipo de igualador externo. Cornparense
=
10"F
los resultados con los que se muestran en la figura 8.5, en donde S8 utiliza una VET de igualador
interno.
] 98 I Dispositivos de control
lugar del tipo de igualador interne, redujo el
sobrecalentamiento a la salida del evaporador
de 20 a 10°F, haciendo un uso mas eficiente
del evaporador.
Es evidente tarnbien que el sobrecalentamiento es de 1aOF en lugar de los 8°F que se
obtuvieron en el serpentin del evaporador sin
caida de presion. La razon de esto es que la relacion entre presion y temperatura de saturac.~6n para el R-12, cambia con la presion de
succion.
Una practica generales utilizar una VET del
tipo de igualador externo en los serpentines
con una caida de presion mayor que aproximadamente 2.5 lb/pulg'' en el intervalo de
temperaturas del aire acondicionado (30 a
45°F), 1:5 IbJpulg2 en el intervalo de las 'ternperaturas medias (0 a 25°F), y O.51b/pulg2 en
el intervale de las temperaturas bajas (por debajo de OaF). Adernas, es precise utilizar una
valvula can igualador externo, cuando se use
un distribuidor de refrigerante a la entrada
del evaporador, puesto que-la caida de presion
en el distribuidor tendra el-rnismo efecto que
tendria en el evaporador (ver capitulo 6).
.
.~
" .
-
-.'.:.
;:.' _ .
8.8 Valvulas limitadoras de- presion
Cuando aumenta la presion de succion en un
compresor de refrigeracion, aurnentan asirnismo tanto la capacidad cornola i:qtri~l1te que '"
toma el motor. Las presiones :exce~iv<i{de suecion pueden dar por resultado':',tiniis9.~recarga
dafios en el motor. Lasvalvulas de expansion.
termostatica hasta ahora discutidas, no centroIan la presion de succion, Pol': el contrario, per·
miten que se eleve la presion de succion a
medida que aurnenta la carga.irnediante fa alimentacion de mas refrigerante al evaporador.
Se dispone de valvulas termostaticas limitadoras depresion, las cuales limitan el valor maximo de la presion de succi on, Esta caracteristica
se llama a veces presion maxima de operacion
(PMO)_ Este tipo de valvula ejerce el control de
la misma manera que una valvula normal, dentro de los limites de las presiones de succion que
'y
son permisibles para el compresor. En el caso
deque se Begue a la maxima presion de operacion, la valvula no alirnentara un flujo adicional de refrigerante, y la presion de succion no
subira mas. Una elevada presion de succion podria ser causa de la sobrecarga del motor del
compresor.
La valvula limitadora de presion ayuda tarnbien a impedir el escurrimiento delliquido al
compresor durante el arranque. Cuando arranca el compresor, el bulbo se halla a menu do
a una elevada temperatura (ambiental). La carga estara a presion elevada, y la valvula se
abrira totalmente causando una subita alimentaci6n de refrigerante liquido. Si se utiliza una valvula limitadora de presion, esta no
se abrira. hasta que la presion de succion disminuya por debajo de la PMO. Durante este
intervalo, el compresor succiona una cantidad
relativamente
pequefia de refrigerante
que
queda en el evaporador. La temperatura de succion baja y Ia fuerza de apertura haee que la
valvula se abra en Ja forma-normal de control.
Otra caracteristica indeseable que se deriva del hecho de que la valvula se abra totalmen- '
te durante el arranque, como ocurre can las
valvulas con carga liquida, es que retarda el
tiempo de caida de Ia temperatura de evapo·
radon.
Existen dos tipos de valvulas de expansion
terrnostatica limitadoras de presion: el tipo de
c(L_rgalimitada y el ti po meainico.
8.9 La valvula de expansion termostatica
de carga Iimitada (de gas)
En la valvula con carga liquida, la cantidad de
fluido es 10 suficientemente grande para que
siempre se halle presente algo de liquido en
el bulbo, no irnporta cual sea la temperatura. En
1a valvula de carga limitada, Hamada tambien
valvula de carga de gas, la canridad es menor, 10
suficiente para que 'par encima de una cierta
temperatura del evaporador, se vaporice totalmente. La presion de un gas no aumenta rapidarr(ente con un aumento de ia temperatura, a
La valvula de expansion terrnostari ca I 199
diferencia del caso de una mezcla saturada de
liquido y gas. Por consiguiente, a medida que
aumentan la temperatura y la presion del eva-
porador par encima de un punto maximo, la
presion en el bulbo no aumenta, y la valvula
no abre aiin mas. Por tanto, acnia como una
valvula Iimitadora de presion.
La VET de carga limitada se utiliza a menu;
do en las aplicaciones del aire acondicionado,
donde
posible que ocurran elevadas presiones de succi6n. Una limitaci6n a su instalaci6n
se basa en el hecho de que el cabezal de la valvula 0 el tubo capilar no deben colocarse en
un sitio en donde se puedan enfriar mas que
el bulbo. Si esto ocurre, la carga puede
condensarse en el cabezal o en el capilar, per·
diendose asi el control 'que ejerce el bulbo, y
]a valvula se cierra.
es
8.10 La valvula mecanica limitadora
de presion
,
._
Este. tipo de valvula 'tiene 'una carga liquida
convencional de manera que. el control que
ejerce el bulbo funciona de .la manera usual,
por debajo dela maxima presion de operacion.
La. valvula posee :90S diafragrnas.en lugar de
uno. EI diafragma·superiqr.se,mantien,C:; hacia
abajo .mediante. un resorte, y no. funciona
durante la operaci6n normal (figura Et~)o' El
diafragma inferior funcionade la manera normal, actuando sobre este la presion del bulbo,
desde una conexi6n ubicada entre los dos diafragmas, Sin embargo, cuando esta presion
aumenta por encima de un cierto. valor, los diafragmas se traban -,de un modo efectivo como
una unidad rigida, y uncambio en la presion
del bulbo no tiene ningiin efecto adicional.
Cualquier aumento en la presi6n del evaporador, acnia sobre ellado de abajo del diafragma
inferior, y tiende a cerrar la valvula contra la
presi6n que ejerce el resorte superior, limitando
as! el aumento de la presion de succion. Bajo
estas condiciones, la valvula funciona como una
valvula de expansi6n a presion constante (Ia que
se describ ira mas adelante en este capitulo),
Figura
canico
a.a VET llmltadora de presion, del tipo
con doble diafragma.
'.'
me-
.
8.11 Cicleo e~ el sistema y ~n la valvula
En ciertas situaciones, Ia valvula de expansion
terrnostatica puede abrirse y cerrarse alter n ativamente en forma continua, y de un modo
excesivo. Esta condicion se conoce como cicleo.
Cuando la valvula se abre demasiado, disrninuye el sobrecalentamiento, se eleva la presion
de succi6n, y puede tener lugar el escurrim ien'to del liquido al compresor. Cuando la valvula se cierra demasiado, disminuye el suministro
de refrigerante al evaporador, el sobrecalentamiento resulta demasiado alto, y baja la pre·
sian de succion. Son varios los rnotivos por los
que ocurre el cicleo. Existe una retraso iriherente de tiernpo en la respuesta a una serial de
cualquier sistema mecanico, induyendo la valvula de expansion terrnostatica y el evaporador. La serial se .origina de las condiciones
presentes a la salida del evaporador. Pero la
200 I Dispositivos de control
.valvula alirnenta a la entrada del evaporador.
Por ejemplo, cuando la presion del bulbo demanda mas refrigerante y se abre la valvula,
si el circuito es largo, puede demorar algunos
minutos para que el flujo adicional llegue a la
salida del evaporador, Antes de que esto aeontezca, la carga de refrigeracion puede disrninuir, ya no siendo eritonces necesario este
aumento de flujo y resultando en una sobrealirnentacion al evaporador. EI r~traso puede
obrar en la direccion contraria a medida que
la valvula inicia la restriccion, continuando esta operacion hasta que el efecto se detecte en
el bulbo. '
.
EI cicleo puede reducirse mediante el diseno de los circuitos del evaporador can una Iongitud razonablernente
corta (si bien esto
reduce la transferencia decalor). Un flujo no
uniforme de aire a traves del serpentin 0 un
flujo no uniforme de refrigerante en los diferentes circuitos, pueden asimismo causar el cicleo. Adernas de poder reducir el cideo
mediante el disefio apropiado del sistema, con
el mismo fin tambien se puede utilizar una valvula de expansion del tipo de carga mixta, 0
aumentar el retraso termico del bulbo.
8.12 La valvula de expansion
termostatica de carga mixta
Este tipo de VET tiene una carga liquida, pero
el fluido utilizado tiene una caracreristica de
presion-temperatura diferente de la del refrigerante utilizado en el sistema. La figura 8.9
ilustra esta condicion, EI trazo de la curva p-t
del fluido saturado para Ia carga del bu1bo es
mas abierto que el de la del refrigerante en el
evaporador. Esto indica que para un cambio
dado en la temperatura, el carnbio de la pre·
sion de la carga es menor que la presion de evaporacion del refrigerante. La respuesta del
bulbo es menos sensible que la de la valvula
de carga liquida convencionaL
Esta diferencia amortigua los efectos de cicleo. Por ejemplo, si la presion y temperatura
del evaporador aumentan, 10 que indica la ne-
c
'iii
-0
Cambia de la
fuerza de
apertura
Q)
....
o,
I
ICambia de la
I
~! fuerza de
I Cambia de ICierre
I temperatura I
I
I
Temperatura
Figura 8.9 Curvas de presion-temperatura para una
VET del tipo de carga mixta, ilustrando su efecto
anti-cicleo.
.
cesidad de mas refrigerante, se eleva tambien
la temperatura del bulbo. No obstante, debido a la carga mixta, la presion de apertura del
bulbo aumenta a una proporcion mas lenta
que si se utilizarauna carga convencional. Esto impide una apertura demasiado su bita y excesiva de la valvula. EI efecto opuesto de
arnortiguamiento
tiene lugar cuando baja la
presion del evaporador.
La valvula de carga mixta ayudaasirnismo
aimpedir el escurrimiento y la sobrecarga del
motor del cornpresor durante elarranque. Por
supuesto, despues del paro, tanto el evapora·
dor como el bulbo estaran a la misma tempe·
ratura relativarnente
alta. Sin embargo, la
presion de fuido del bulbo es mucho menor
que la presion del refrigerante en el evapora·
dor. Por consiguiente, la valvula perrnanecera
cerrada hasta que la reducida cantidad de refrigerante en el evaporador se caliente mediante la carga, hasta alcanzar un elevado valor de
sobrecalentamiento.
Esto hace que la temperatura y presion del bulbo aumenten hasta un
punta en que la valvula empieza a abrirse. EI
retraso en la apertura hasta que tiene lugar un
gran sobrecalentamiento,
impide el escurrimiento y la sobrecarga del motor.
La valvula de expansion termostatioa I 201
linEA [)~L .
8.13 Retraso termico del bulbo
El cicleo se puede asimismo disminuir, aumenrando el tiem po de retraso termico del bulbo. Esto
se puede Ilevar a cabo aurnentando la masa de
metal del bulbo, 0 insertando un bloque adicional de metal en el bulbo. Este metal se
tiene entonees que ealen tar junto con la carga
del bulbo, 10 que ocasiona un retraso, y de esta
manera se retrasa la respuesta al aumento de
temperatura del evaporador.
8.14 Caracterfsticas igualadoras de
la presion .. '
.
Cuando el eompresor se para y se dena la valvula de expansion, el difereneial de presion
entre ellado de alta y ellado de baja, se puede
mantener durante un cierto periodo de tiem• po. EI compresor debe tener un par motor elevado durante -el arran que, para superar este
aumento de la presion. 'No obstante, a menudo es aconsejable poder utilizar motores de
rnenor costo.rcon un bajo par de torsion. Esto
es posible cuando junto con la valvula de expansion se induye una caracteristica igualadora, Hamada a veces descarga fuera de ciclo. Una
manera de obtener esta condici6n es por media de un pequefio agujero de purga, practicado en el asiento de la valvula. Cuando se
cierra la valvula, el refrigerante drena lentamente desde el lade de alta hasta el evaporador y se igualan entonces las presiones.
8.15 Valvulas 'operadaspor piloto
Por encicla de ciertas dimensiones fisicas, no
resulta faetible la construccionde una ;alvula
de expansion termostatica que funciorie 'satisfactoriamente. Par consiguiente, es corrnin utilizar en los sistemas de gran capacidad una
instalacion que induye una valvula piloto (figura 8.10). Esta pequefia VET piloto se instala
COnel fin de detectar el sobreealentamiento en
la linea de succion. El tubo de salida de esta
valvula se coneeta a la camara de operacion de
COMPE'ISADQAEXTERUQ
PILOTO DE
EXPAtlSIQr~ 'ENMOSTAlICA
VALVULA.
FILTRO Dr;. U L1UlA
FRI~JC:IPAl..
Figura 8.10 Disposici6n de una VET accionada por
plloto (Reimpreso con permiso del Equipment ASH~
RAE Handbook and Product Directory del ana 1979).
la valvula principal. Cuando el
miento de la linea' de succion
abre la valvula piloto y la presion
de la valvula principal hace que
sobrecalentaaumerita, se
en la carnara
se abra toda-
via mas.
8~16 Localizacion e instalacion de
la VET
-
.
Una instalaci6n inadecuada de la valvula de expansion' terrnostatica y sus elementos correspondientes afectara el funcionamiento
del
sistema. Algunos de estos faetores, coneernien·
tes ala instalacion de la tuberia, se mencionan
en este capitulo; otros factores se discuten en
el capitulo 11.
La entrada de la valvula solo debe recibir
liquido. Esto 'quiere decir que tanto las dimensiones de la Iinea del .liquido como los cornponentes en la misma no deb en tener una caida
de presion suficiente como para causar la vaporizacion subita del gas_El subenfriamiento
en el eondensador resulta provechoso para irnpedir esta condicion.
El cuerpo y el tubo capilar de la valvula cargada con gas se debe colocar en un lugar relativamente caliente, de manera que no se pierda
el control procedente del bulbo.
Localizacidn del bulbo. Con el fin de proveer un
buen funcionamiento de las valvulas, la localizacion apropiada del bulbo es decisiva, Este debe instalarse en una linea horizontal de
succion, a la salida del evaporador. Se debe asi-
202 I Dispositivos de control
;::
.:
mismo instalar en la parte su peri or e1e1a linea,
ya que el aceite que fluye en la parte inferior
de la tuberia, podr ia dar una lectura falsa de
la temperatura. Es necesario mantener un
buen contacto terrnico entre el bulbo y.la tube ira, par 10 que el bulbo debe hacer contacto
en toda su Iongitud.
Se debe tener cuielado de impedir que el reo
. frigerante liquido y el aceite se acumulen en
el lugar donde se ubica el bulbo, puesto que
este se enfriaria, motivando que la valvula se
cerrara. Esto se logra conectando las tuberias
como se muestra en le figura 8.11. Se provee
una trampa mas adelante de] bulbo, E1 refrigerante yel aceite drenan en la trarnpa en lugar de acurnularse debajo del bulbo, Esta
disposicion es necesaria ya sea que el compresor este situado arriba 0 debajo del evapora·
dor, con solo una excepcion. Si el sistemaesta
bajo control por reduccion de presion y el cornpresor esta situado debajo del evaporador, no
se requiere la trarnpa. Durante la operacion, el
refrigerante yel aceite drenan por gravedad,
apartandose del bulbo. En·e) control pOl' reduccion de presion, cualquier cantidad de
refrigerante que se encuentre en el evapora·
dor se extrae antes de que el compresor se
pare.
El igualador externo de la valvula de expan·
sion se debe coneetar despues del bulbo, Si se
coloca antes del bulbo, el refrigerante que se
escapa de la valvula a traves de la linea del igualador puede enfriar al bulbo y hacer que la valvula se cierre, privando asi de refrigerante al
evaporador.
Bufbo de la VET fijado a fa parte
superior de la linea horizontal
8.17 La valvula de expansion
termoelecrrica
Este tipo de valvula puede utilizarse como val
vula de control de flujo, adem as de tener otros
usos. Esta equipada con un motor que abre y
cierra la valvula en respuesta a los cambios de
un voltaje electrico de senal. Un sensor de liqui .
do llamado termistor, se instala en el punto
del evaporador 0 linea de succion donde se de.
sea obtener una cornpleta evaporacion (figura
8.12). Como se muestra, el sensor se conecta
en serie con el motor. La resistencia electrica d~l sensor aumenta con la disrninucion d~
la temperatura. La presencia del refr~erant~
liquido enfria el termistor, aurnentarido -su
resistencia, Se disminuye as! el voltaje al motor, y la valvula procede acerrarse, disminuyendo
elflujo de refrigerante. Cuando el termistor de.
jecta la presencia del gas sobrecalentado, tiene
lugar la secuencia inversa. Puesto que es posible
tener un control muy precise del sobrecalentamien to, la valvula termica electrica puede hacer
un uso eficiente de la superficie del evaporador,
y contribuir a la conservacion de la. energfa.
8.18 Valvula
de flotador
.."
,:
Las valvulae de flotador se utilizan en algunas
aplicaciones co,~o dispositivos de control de'j
VOLTAJE
APUCADO
TERMISTOR
SENSOR EN
EL tlouroo
AI cornpresor
EVAPORADOR
-
Evaporador
El.llquido se acumula aqui y
no bajo el bulbo
Figura 8.11 lIustraci6n de la colocacion y fijacion
apropiadas del bulbo de la VET.
Figura 8.12 Valvula electrica de expansion terrni
ca y sensor. (Reimpreso con permisodel Equipmen
ASHRAE Handbook and Product Directory del aii(
1979)..
....' ,
La valvula de expansion terrnostatic a J 203
matica de la figura 8.] 4. La valvula de flotador
esta situada en el lado de alta del sistema, e ntre el condensador y el evaporador. £1 nivel del
Iiqu ido es el mismo en la valvula y en el con,derisador, puesto que ambos estan conectados
librernente. Cuando se eleva el nivel del t'efrigerante en eelcondensador, sube el flotador y
abre la valvula, 'alimentando mas refrigeran te
al evaporador. Si el flujo del refrigera nte al
coridensador se reduce, baja el nivel en el condensador, y valvula restringe el flujo al evaporador ..
La valvula de flotador dellado de alta regu·
la el flujo mediante la alirnentacion de refr igerante al evaporador a la mis,ma proporci6p
con ,que sale del condensador. Esto hace que
en un sistema de expansion seca, la magnitud
de 1a carga de refrigerante sea decisiva. Si la
cantidadde refrigerante es insuficiente, se suo
balimenta '.11 evaporador, pero
la carrtidad
es excesiva, puedesobrealimentarse al eva po·
radar ED, y tener lugar el escurrirniento al
cornpresor. Las valvulas de flotador delLado
de alta se utilizan a menudo en sistemas centrifugos d~'re'frigeraci6n equipados can condensadores de casco y tubos y evaporadores
inundados (capitulo 10).
La valvula de flotador del lade de baja regula el flujo del refrigerante controlando el
nivel del refrigerante liquido en el evaporador.
Se utiliza con evaporadores inundados. En la
figura 8.15 se muestra una valvula de flotador
dellado de baja. £1 flotador se instaJa en ellado de baja presion del sistema, y se puede colocar directamenre en el evaporador, en un
tambor de cornpensacion, 0 en una carnara de
flotador.
En la figura 8.16 se muestra un esquema
de la instalaci6n de una valvula de flotador del
lado de baja. La linea del liquido se conecta
a Ia entrada de la valvula. Si 'el nivel de liqu ido
es suficientemente alto en la carriara, la valvula
permanece cerrada. Cuando baja el nivel del
Hquido,el flotador des den de y se abre el or ificio de la valvula, admitiendo una mayor
cantidad de refrigerante procedente de la li-
la,
,
"
Figura 8.13 Valvula de flotador de lado de alta.
(Reimpreso con permiso del Equipment ASHRAf
Handbook endProduct Dire,ctorydel ario 1979) ,
.:::' 7:·..:
. ~. ij"!.
\..
~\
..
~~;-:
t>~;
flujo del refrigerante, adernas de tener otros
usos. Se pueden agrupar en valyulas de flotador
de] lado de alta y del lado de baja. En Ia figura,
S.l3 se muestra una valvula de flotador del lado de alta. Un vastago un orificio de laval:
vula separan 19S 1~14°sde alti y baja presion
del, sistema. Un flotador conectado al vastago descansa sobre la superficie del .!efy;i~
gerante lfquido. La valvula se a~re a me,,!ida
que, ,el flotador se ,eJ.e,ya,y s!=.cierra cuando
este baja~." ,':
. .
,,'
,,' ,',
La operacion de la valvula de flotador del
Iado ,g<:; alta se rnuestra en la disposici6n esque:
y
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II
J'.
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j
..~..;'.;' .\..';'
>'v..f·~:··
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..\..•
',
. ~.:
Figura 8.14 Dlsposicion de conexlon de la valvula
de, flotador del lade de alta, en el sistema.
..,
:' .
~
'i·
si
204 I Dispositivos de control
lA-riQUE DE OSCIl~CIl1U
"0" ••
.~"
Figura 8.15 Valvula de flotador de lado de baja
(Reimpreso con perrniso del Equipment ASHRAE
Handbook and Product Directory del afio de 1979)
MAIIU.AL
".;
nea de liquido. La presion del' refrigerante
disminuye a media que este fluye desde el
lado de alta a traves de la valvula hasta la
camara del flotador, Se 'alirnenta' Iiquido a
baja presion al evaporador, mcdiari.te;ima conexion desde la carnara. Tambien tiene una
conexion directa desde la carnara del flotador
hasta Ia lind de succion. Esta ultima conduce
el 'gas de vaporizacion siibita que se forma
cuando el refrigerante se exparisiona a traves
de la valvula.
.
Evaporador
Deevlaclon ce
baja preslcn
V~lvuJado dronnjo
del neette
Tubad. ilegad.
dc' liquid.
Volvula de "olad~r
dol lado de bajo
FiIHO
Figura 8.16 Disposicion de la conexion de una valvula de flotador de lado de baja,en el sistema (Reimprese con perrnise del Equipment ASHRAE
Handbook and Product Directory del ane 1979)_
8.19 La valvula de expansion a'
presion constante
i
'\
Este tipo de valvula, Hamada tambien vtilvliia
de expansion automdtica; se utiliza como un -dispo.
sitivo de expansion del refrigerali.te, eli. algG:
nas aplicacidnes limitadas. En la figura 8.17 s'e
muestra urra secciori transversal de esta valvti~
1~.Son -dos las presiones 'que operansobre f~
valvula. La presion constante del resorte ac:tu'j·
sobre la superficie superior de diafragrna co:ri
elfin de abrir la valvula, y la presion del eva'
'porador aetna sabre la superficie inferior-de)
diafragma, tendiendo a cerrar la valvula. Ctia~~
do aumenta la presi6n del evaporador, la va):
vula se mueve a una posicion mas cerrada, Estg
reduce el flujo del refrigerante que entra al evaporador y baja la presion del mismo. Si disminuye la presion del evaporador, tiene lugar el
efeeto opuesto. La presion del resorte sobf~pasa ahora a la presion del evaporador, y la val~
vula se mueve a una posicion mas abierta,
Aumenta el flujo del refrigerarite; y aurnenta
de nuevo la presion del evaporador. . '.
Esta eXJ>,licaci6n rnuestra que la valvula de
expansion a presi6n constante regula el flujo
de refrigerante de manera que rnantiene una
presi6n constante en el evaporador. Sin ernbargo, este metoda de controlar el flujo es indeseable, a menos que la carga d(!refrigeracion
sea relativamente constante. Si la carga de reo
frigeraci6n disminuye, la o peracion del corn-
La valvula de expansion termostatica
DISPOSITIVO
J
205
PARA
AJUST AR LA PRESION
DIAFAAGMA
VARllLA
.,,-
DE EMPUJE
AGUJA DE LA
COMPENSADOR
EXTERNO
VALVULA
J'----
ASIENTODE LA
VALVULA .
RESOATE DE
CIERRE
presor hara que baje la presion de succion. La
valvula de prensi6n constante se abrira entonces.para aumentar la presion. Pero esto hace
que au mente el flujo de refrigerante, que es
exactamentelo op~e~~q de 10 que se .desea en
el caso de que disminuya la carga. Porotra par·
te, cuando aumenta la cal"ga de refrigeracion,
la valvula reaccionara para resrringir Ia alimentacion de refrigerante al evaporador, La valvula de expansion a presion constante
sobrealirnenta y subalimenra alternativamente
al evaporador, si existe un~. variacion apreciable dela carga. Esto l'e~~l~<I.
en una ineficiente
utilizacion de la superficie del evaporador, un
gasto excesivo de energia, yen ,elcaso de la sobrealirnentacion, un posible escurrirniento del
liquido.
La valvula de expansion a presion constante tiene un uso limitado cuando es deseable
mantener condiciones constantes en el evaporador, y cuando la naturaleza del sistema es tal
que la carga tiene poca variaci6n ..Este tipo de
valvula se utiliza en enfriadores unitarios para
agua y bebidas envasadas, en donde el producto se mantiene en todo momento ala misma
temperatura.
8.20 EI tubo capilar
Este dispositive de control de flujo consiste en
un tramo de tuberia de mu)' pequerio diametro. Normalmente el diametro interior varia de
Figura 8.17 Valvula de expansion a presion
constante (esquernatica).
0.02 a 0.10 pulg, y la longitud de 2 a 12 pies
o mas. EI dispositivo se utiliza en pequefias unidades herrneticas con serpentines de expansion directa. EI terrnino tuba capilar conduce a
error. La accion capilar (la tendencia de un liquido a adherirse a la pared de un tubo) "no
tiene nada que ver can la manera como fun:
ciona el control del flujo.
EI tuba capilar no funcioriara satisfactoriamente si la cantidad de cal'ga refrigerante en
el sistema se aparta de la cantidad apropiada,
Adernas, cualquier sustancia extrafia puede
bloquear 0 afectar de otro.rnodo el flujo a traves del tubo de d iametro reducido. Es por estas razones que los tubos capilares ~61oresultan
adecuados en las unidades herrneticas. Debido a que su coste es muy bajo y a que no necesitan rnantenimiento, se usan ampliamente en
los refrigeradores dornesticos, equipos de aire
acondicionado para una habitacion, y pequefias unidades integradas de aire acondicionado.
Caracteristicas de operaci6n. Debido a .su estre- '
cha abertura y su considerable longitud, el tubo capilar presenta una gran caida de presion
en el mismo. De esta manera, acnia como un
dispositive de expansion adecuado. Controla
el flujo can eficiencia bajo condiciones varia'das, a pesar de que no tiene ajustes.
El tamafio de un tuba capilar se selecciona de manera que entregue el flujo ad ecuado
2G6 I Dispositivos de control
a una carga de diseno y temperatura
especifi-
cos. La cantidad de carga en el sistema es solo
la necesaria para llenar el evaporador. Si la
carga de refrigeracion disrninuye, la presion
de succion baja, el tubo entrega mornentaneamente mas refrigerante del que puede manejar el compresor, y el evaporador se llena de
liquido. Esto reduce la alimenracion de liquido
al condensador y un poco de gas procedente
del condensador entra el tubo capilar. Pero el
gas tiene un volumen especifico mucho mayor
que el liquido, y par consiguiente,
disminuye
el flujo a traves del tuba. En esta forma se obtiene el control deseado del flujo, ya que el flujo al evaporador disrninuye en respuesta a la
reduccion de la carga de refrigerante.
La accion inversa tiene lugar si aurnenta la
carga de refrigeraci6n. Aurrienta la presion de
succi6n, y el compresor bombea una mayor
masa de refrigerante. Esto reduce la alimenta. cion de refrigerante al evaporador y llena el
condensador de liquido. EI tubocapilar entrega entonces mas refrigerantevpuesto que se le
alimenta todo el liquido, y-se obtiene una' condicion de equilibria.
Si bien el tubo capilar funciona satisfacroria mente con una gama razonable de condiciones, no es igualmenre eficiente bajo todas las
condiciones. Como se puede ver de 10 que pre·
cede, excepto en el caso de las condiciones de
diserio, la su perficie de transferencia de calor
no se aprovecha en su totalidad, como ocurre
con la valvula de expansi6n termostatica, Se
supone que se requiere mas potentia en los sistemas que utilizanun tuba capilar, que en los
que utilizan una VET.
Procedimientos en el sistema. Ya se ha heche notar que la magnitud de Ia carga de refrigerante
en los sistemas con tubos capilares, es decisiva.
La carga de refrigerante debera sel' la minima
necesaria para efectuar la tarea (10 suficiente
para llenar el evaporador). POl' esta razon, no
se util iza un recibidor para el refrigerante, Un
exceso de carga producira una elevada presion
de descarga y quiza de por resultado un escu-
rrimiento de liquido a] compresor. Muy poca
carga perrnitira que el vapor entre al tubo
capilar y de pOl' resultado una perdida de la ca.
pacidad de .refrigeracion.
Por supuesto que el tubo capilar no puede
cerr arse cuando separa el compresor. POl' con.
siguiente, el refrigerante se distribuira a tra.
ves derodo el sistema, y una cierta cantidad
ernigrara al evaporador. Esto origina la posibilidad de que e1 liquido entre al compresor
durante el arranque. A menudo se instala un
lanque acumulador de liquido en la linea de
succi6n del sistema, 'can el fin de evitar la entrada del liquido al compresor durante el
arran que y cuarido este' en operacion.
,.'
Par otra parte, la igualacion de la presion
en todo el sistema cuando se detiene la opera}
cion, constituye asimismo un beneficio, El como,
presor no se ve obligado a operar contra' iin'
diferericial
de presion durante el arranque, iy
es posible utilizar motores de poco costo con
un bajo par, motor.
8.21 EI or'ificio '
..::
_'
EI orificio es sencillainente una abertura restringida en un tubo porel que pasa un fluidd:
Puede set un agujero estrecho, un grupo de
agujeros praciicados en una placa, introducida eri un :tuba, 0 una restriccion gradual
Ilamada orificio de bordes redondeados 0 Venturi;
Los orificios se pueden usar como dispositivos
de control del flujo y'de expansion. En Iii
figura 8.18 se muestra una disposici6n patentada de orificio, utilizada como dispositive
de control de flujo en los enfriadores mundados, en los sistemas centrffugos de refrigeracion'.
Este arreglo de orificio consiste de una placa con agujeros, seguida por un tubo Venturi
insertados en la linea del liquido. Las aberturas restringidas originan la caida de presion
deseada. No im porta cual pueda ser la presi6n
ejercida por el liquido, un tuba Venturi dosifica un volumen constante de fluido. A plena
carga, la columna de liquido es suficientemen-
Preguntas de repas
Liquido a alta
presion
.....•
AI evaporador
Placa
periorada
Orificio bien
redondeado
....
Figura 8.18 Disposici6n d~ los orificios como un dispositive de control de flujb.
te alta para que su presion impida la vaporizacion subita del liquido antes de que entre al
tubo Venturi, y toda la vaporizacion siibita tiene Iugar a traves del mismo, Sin embargo, a
medida que disminuye la carga, disminuye el
surninistro de Iiquido, y baja el nivel de
la .columna liquida. Esto hace que' baje 'la
presion 10 suficiente para 'qu-e ahora elIiquido experimente: parcialrnente una evaporaci6n subita cuando pasa por" el primer orificio. Ahora se Ie suministra al tubo Venturi una mezc1a de liquido y vapor cuyo volumen
especifico es mayor. Puesto que entrega tin
volumen constante, el flujo es menor. En esta .
forma el orificio lleva a cabo su furicion de
variar el flujo respondiendo a la variaci6n de
la carga.
8.22 Dispositivos de control de flujo
Y utilizaci6n de Ia energia
A continuaci6n se presenta unresumen de algunos de los puntos discutidos en este capitulo en relaci6n con la utilizacion yconservacion
de la energia segun se ven afectadas por los dispositivos de. control de flujo.
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I 207
I. La valvula de expansion termostatica provee un uso eficiente de la superficie del evaporador sabre una amplia gama de cargas.
2. En el caso de existir una caida significativa
de presion, ya sea en el evaporador 0 en el
distribuidor del refrigerante, sera preciso
utilizar una VET del tipo de igualador externo. La valvula can igualador in terno reo
sultara en un uso poco eficierite del
evaporador.
3. La presencia del cicleo en un sistema resultara en una utilizacion ineficiente de la superficie del evaporador, Si el sistema esta
afectado par el cicleo sera precise u tilizar
una VET de carga rnixta 0 de otro ti po de
valvula anti-cicleo.
4. El tuba capilar es un dispositivo de control
de flujo menos eficiente en cuanto a la utilizaci6n de la energia, que la VET.
5. La valvula de expansion a presion constante, constituye un dispositive de control de
flujo 'muy ineficiente en :el caso en que se
presente una variacion significativa de la
carga.
.. ~'.,.
PREGUNTAS DE REPASO
1. ~Con que fin se utilizan los dispositivos
de control de flujo?
2. ~C6mo se lleva a cabo lacaida de presion
en cualquier tipo de dispositivo de control de flujo?
' '.
3. Mencionar los tipos de dispositivos de
control de flujo.
4. Mencionar los principales componentes
de una valvula de expansion terrnostatica. Explicar su operacion, utilizando un
diagrama.
5. ~Cuales son las tres fuerzas que operan
en una VET? .
6. Explicar de que modo can trola una VET
el flujo del refrigerante, en respuesta a
los cambios de carga.
7. ,Que es el sobrecalent.amiento? (Por que
se Ie puede llamar tarnb ien a una VET,
208 I
Dispositivos de control
una valvula de control del sobrecalentemiento?
8. (Que cfecto tendria la caida de presion
en el serpentin de un evaporador equipado can una VET de igualacion interna?
9. Explicar la diferencia en la construccion
de una VET con igualacion interna y orra
can igualacion externa.
10. Explicar 1£1
aplicacion y operacion de una
VET con igualador externo.
II. Explicar el uso de una VET lirnitadora de
presion. (Cuales son los dos tipos?
12. Explicar Ja operacion de una VET.de carga limitada.
13. Explicar que es el cicleo y sus posibles
causas.
14. Explicar la operacion de una VET de carga mixta.
.
15. (Que es el retraso termico en una VET,
y como se utiliza?
Hi, Explicar unacaracteristica de igualacion
de presion de una VET y su objetivo.
17. (Que es un~ valvula accionada pOl' piloto y cuando se utiliza?
18. Enumerar las practicas npro piadas con
respecto a la ubicacion e instalacion de
una VET.
19. Explicar la construccion y operaciori de
una valvu la . electrica
de expansion
terrnica.
20. Explicar la operacion de la valvula de flotador de refrigerante.
21. (Que constituye un importante objetivo
en la aplicacion de una valvula de floradol' del lado de alta?
22. Dibujar y explicar la operacion de una
valvula de expansion a presion constante.
23. Explicar cuales serian las posibles dificultades que se pcdrian original' par la accion de una valvula de expansion a
presion constante. ~Que resultados po·
dr ian tener lugar? ,PaTa que aplicacion
ser ia adecuado este tipo de valvula?
2-i. Explicar la rnanera en que un tubo capilar controla el flujo del refrigerante en
l-espuesta a los cambios en la carga.
25. Comparar las ventajas Y. desventajas de
un tubo capilar y de una VET.
26. cPor que es importante el hecho de que
un tubo capilar no puede proveer un cie-:
rre herrnetico?
27. cPor que constituye una caracteristica positiva el hecho de que un tubo capilar no
pueda proveer un cierre herrnetico>
28. Describir algunas maneras de conservar
la energia mediante Ia apropiada selec.
cion, aplicacion, y operaciori de los dispositives de control del flujo.
PROBLE:M_A.S
8.1 Un sistema que utilizarefrigeranre
R·12 ,
Y una VET con carga liquida, opera a una tem..
peratura de evaporaciori de 26°F. La presion
del resorte es de 13 Ib/pulg2• (Cual sera el so.
brecalentamiento del -refrigerante a la salida.
del evaporador?
. ;,',
8.2 Si en la unidad del problema 8.1 se dis- ;
minuye lao presion del resorte a 3 lb/pulg'',
ccu;}lsera el sobrecalentamiento del refrigeran- .
te? (Cmil podria ~er el resultados
.
,. ,_
8.3 Si lapresiondel resorte de la unidad del :;
problema 8.1t .se aume:r:ttara a 24 Ib/pulg2,:
(cmll seria el sobrecalentamiento del refrige-:i
rante? ,Cual podria ser el resultado?
8.4 Un sistema que utiliza refrigerante R·502
tiene un evaporador con una caida de presion
de 8 Ib/pulg". La temperatura de evaporacion '.
es de 6°F. Se utiliza una VET de carga liquida
con igualaciori interna, y la presion del resor- .
te esta ajustada para proveer 10°F de sobrecalentamiento. ,Cual sera el sobreealentamiento '
real? ,Cual podria ser el resultado?
8.5 Un sistema que utiliza refrigerante R-12,··
tiene un serpentin del evaporador con una caida de presion de 8 Ib/pulg2• La temperatura
de entrada al evaporador es de 22°F. Se instala una VET de carga liquida.coft un igualador
exterrio, y la presion de resorte esta ajustada
a 6 Ib/pulg2_ ~Cual sera el sobrecalentamiento
del refrigerante?
Capitulo
9
REFRIGERANTES, SALMUERAS, ACEIT·ES Y
CONTAMINANTES
~.:.
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9.1'Seleccion de los refrigerantes
En este capitulo se discuten los refrigerantes, salmueras y aceites que se utilizan en los
sistemas de refrigeracion. Se incluyen sus propiedades y caracteristicas que afectan al rendimiento y la seguridad. Tambierr se discuten
los coritaminantes indeseables que pueden encontrarse en los sistemas.
En un sistema de refrigeracion, tanto por compresion de vapor como por absorci6n, el enfriamiento se obtiene por la evaporaci6n de un
liquido, Por consiguiente, cualquier fluido al
que se le puedehacer cambiar de estado, de
un liquido a un gas, puede servir como refrigerante. Son muchos los factores, sin embargo, que hacen que algunas sustancias sean mas
adecuadas que otras, dependiendo de la aplicacion. La capacidad del equipo, el consumo
de energia, la seguridad, y el mantenimiento
son algunas de las condiciones que se ven afectadas por la selecci6n del refrigerante.
OBJETIVOS
EI estudio de este capitulo permitira;
1. Deterrninar en -que forma las 'propiedades
de los refrigerantesafectan el rendimiento
del sistema de refriger acion.
2. Identificar aquellas caracteristieas de los reo
frigerantes que se relacionan con la seguridad 0 '1a operacion.
3. Identificar los principales refrigerantes y
sus aplicaciones.
'
4. Identificar las salmueras y sus propiedades
convenientes.
5. Identificar y describir las caracteristicas de
los aceites lubricantes que se utilizan en la
refrigeracion. ,
6. Identificar los contaminantes en los sistemas de refrigeracion, sus efectos y la manera de eombatirlos.
9.2'Propiedades que afectan el
rendimiento
Algunas propiedades fisicas de un refrigerante pueden tener un efeeto sobre la capacidad
del equipo 0 la potencia requerida. Entre estas se incluyen:
Las caracteristicas de presi6n y temperatura
El calor laterite de vaporizaci6n
E1volumen espedfico y la densidad del vapor
EI calor especifico del liquido
209
210 I Refrigerantes,
salmueras, aceites y contaminantes
Caracteristicas de la temperatura y la presion. La
temperatura de ebullici6n (punto de saturacitm) de tin Iluido cambia con la presion. Adenuis, los vulores de temperatura
y presion son
diferentes para cada sustancia, Son seis ias condiciones que se deben tener en cuenta 31 se·
leccionar lin refrigerante.
ii
f!:!
~~;:,
1!:Jl
i
I. Es convenien te que la presion a las condiciones de evaporacion sea superior ala atmosferica, a fin de evitar que el aire penetre
por Filrmcion al sistema.
2. La presion de descarga del compresor no
debe ser excesiva, a fin de que no sea necesarin utilizar equipo de tipo pesado en el
lado de alta.
g. Es conveniente que la relacion de compresion sea baja, puesto que la potencia requerida por el cornpresor aumenta directamente con larazon de compresion.
4. La temperatura de descarga del compresor
no debe ser excesiva, a fin de evitar problemas tales como la descornposicion 0 dilucion del aeeite lubricante, descomposiciori
del refrigeranre, 0 formacion de contarn inantes tales como sedimentos 0 aci dos. Todos ellos pueden oeasionar dafios al
. compresor. .
!). La presion de descarga del compresor no
debe ser superior ala presion critica del refrigerante. Esta es la presion pOl' arriba de
la cual no existe estado separado de liquidoo de vapor. Bajo estas circunstancias, no
es posible condensar el. refrigeran te a presion con stan teo
6. La temperatura de evaporacion no debe ser
inferior a la temperatura de congelacion
del refrigerante. Esto constituye una de las
desveurajas de utilizar el agua como refrigerante.
Calor latente de »aporizacion. Es conveniente
que el calor Iatente de vaporizacion tenga un
valor alto, puesro que esto indica que existe
u n elevado efecto de refrigeraci6n. (EI efecto
de refrigeracion es la cantidad de enfriamiento
obtenida por cada libra de refrigerante evaporado. Es menor que el calor latente de. vapor].
zacion, pero es proporcional al mismo.) Esto
quiere decir que con un mayor efecto de refr].
geracion, se requiere un menor flujo de masa
de refrigerante para obtener una deterrninadn
capacidad de enfriamiento. Esto haee posible
la utilizacion de equipos de menor capacidad
y tu ber ias de menor diarnetro.
Volumen especifico del vapor. Es eonveniente
que el refrigerante tenga un volumen espeeifico bajo, puesto que esto reduce el desplaza.
rniento requerido del compresor y el diametro
de las tuberias,
Calor especifico del Hquido. Es conveniente que
el refrigerante Iiquido tenga un calor especifico bajo. EI refrigerante que pasa a traves del
dispositivo de expansion es enfriado por una
porcion del mismo que se evapora subitamen:
te para convertirse. en gas_.Como el calor requerido para enfriar un liquido disminuye al disminuir su calor especifico, resulta que se requiere men os gas de vaporizacion subita. Estoreduce
el flujo total del refrigerante requerido para producir una. capacidad de. enfriamiento dada.: .
9.3 Comportamiento comparativo de
los. refrigerantes
Las caracteristicas de presion y temperatura de
saturacion, de algunos. refrigerantes se mues·
tran en la figura 2.6, yen las. tablas de propie
dades. Estos valores se pueden utilizar para
comparar los refrigerantes en cuanto a sus ternperaturas de evaporacion y condensaciori mas
convenientes.
Los factores de rendimiento como el efeete
de refrigeracion. desplazamiento teorico y coe
ficiente de rendimiento se puede_n calcular c
partir de las ecuaciones desarrolladas en el ca
pitulo 4. Parte de esta informacion se encuen
tra resumida en la tabla 9.1. Si bien los dato:
se basan en un cicio ideal, resultan provecho
sos con fines comparativos,
Objetivos I 211
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212 I Refrigerantes, salmueras, aceites y contaminantes
EI flujo volumetrico (PCM/tilnelada) y el coeficiente de rendimiento (CDR) son medidas
cspecialmerue importantes del rendirniento.
EI PCMltonelada es una indicacion
del tamailo del compresor (desplazam iento) y el CDR
e); una medida del consume de energia. N6tese, POl- ejemplo, que los tlujos volumetricos correspondientes a los refrigerantes R-22 y R-502
SOil considerablernente
menores que los del
R-12: Esto const ituye una importante ventaja
del R-22 y el R-502 sobre el R-12; el tamafio del
cornpresor para la misma capacidad es significativarnente
menor. N6tese que el CDR para
todos los refrigerantes enumerados es aproximadamenre el mismo. Esto es, no hay ninguna ventaja considerablemente significativa de
un refrigerante sobre otro, en terminos de la
eficienci a energetica,
9.4 Caracteristicas relacionadas
con Ia seguridad
Se conocen varias caracteristicas nocivas de los
refrigerantes.
Toxicidad.
La toxicidad se,refiere al grado al
I_"
cual la sustancia' resulta una toxina 0 un veneno. Muchos refrigerantes
no son .toxicos, inclu-
yendo todos los halocarburos, No obstante, esto
no debe confundirse cori el hecho de que cualquier refrigerante es asfixiante, aun cuando no
sea toxico. Esto es, el individuo se puede sofocar debido a que el refrigerante sustituye al oxigeno. Es por este motivo que se debe procurar
una buena ventilacion en los locales don de se
alojan los equipos de refrigeracion, aun en el
caso en que se utilicen refrigerantes que no
sean toxicos.
lnflamabilidad y Explosioidad. La inflamabilidad se refiere al grado al que una sustancia
puede quemarse con llama, y por. consiguiente, si constituye un riesgo de ineendio 0 no. Los
halocarburos no son inflarnables ni explosives.
EI amoniaco es inflamable a cierras eoncentraciones.
EI c6digo de seguridad para la refrigeraci6n
mecanica (SaJety CodeJ01-Mechanical Refrigera.
lion) del American National Standards Institute
(ANSI) clasifica los refrigerantes en tres gru·
pos en 10 que se refiere a Ia seguridad en su
mariejo. Esta clasificacion abarca tanto la toxicidad como la inflamabilidad. Los refrigeran
tes del grupo I, en el cual se in cluyen los
halocarburos, no se les considera t6xicos ni inflarnables, y pueden utilizarse para sistemas de
aire acondicionado en edificios habitados. Sin
embargo, se reguieren algunas norm as de ventilaci6n y otras caracteristicas en los locales
donde se instalan los equipos, Los refrigeran·
tes del grupo 2, que incluye al amoniaeo, no
pucden ser utilizados en sistemas de aire aeondicionado, y el equipo se debe instalar fuera
del edificio 0 en locales especialmente aeondicionados. Los refrigerantes del grupo 3, que
incluye al propano 501'1 los mas peligrosos, y
s610 se permiten para usos irrdustriales, con
restricciones muy severas.
Los Underwriters Laboratories (UL) clasifican asimismo la seguridad de los refrigerantes, pera utilizan un sistema diferente, el cual
consiste en una escala que va dell a16. EI tipo
de refrigerante que corresponde al grupo 6 es
el mas seguro.
.
Es preciso considerar otros posibles efectos
que pueden tener los refrigerantes en la salud.
Algunos refrigerantes pueden causar sequedad
o irritaci6n de la piel, Los refrigerantes cuyos
puntos de ebullicion son inferiores a 32°F a
la presi6n atmosferica, pueden congelarse
al co ntacto con la piel y causar quernaduras,
La excesiva inhalacion, aun de algunos refrigerantes que no son toxicos, puede causar
trastornos cardiacos 0 del sistema nervioso
central.
9.5 Caracterfsticas relacionadas con
Ia operacion 0 el mantenimiento
Algunas caracteristicas
afectan la operaci6n
sistema.
de los refrigerantes
0 mantenirniento
del
Objetivos I 213
Estabilidad quimica. Un refrigerante debe ser
qu imicarnente estable (que,.no se descornponga) dentro de la gama de ternper aturas a que
se ve expuesto en el sistema. La descornposicion puede dar como resultado la produccion
de contaminantes, tales como acidos, sedimentos 0 gases no condensables.
Inactividad quimica. Un refrigerante no debe
reaccionar quimicamente con ninguno de los
materiales con los que pueda tener contacto
en el sistema. Par ejemplo;\::l arnoniaco reacciona con el cobre y l(fdi-;i1'~lve.Como los reo
frigerantes hidrocarb~f6rWs~elvt;I)'al hule, es
preciso utilizar otros I~{at~£i.;iles'para las juritas y empaquetadurd.~,~L.,o~~:;'t,~fi-igeranteshalocarburos son causa '@:~C~~!~fiorode algunos
plasticos, pero no
I:
. f
.~~:~~t&~~-~,
EJecto en los lubrica'~t~s.'. 'U~~~frigerante no debe reducir la calididt'ltiB'ficante del ac~ite
utilizado=en la re;rr.tgt:!~~'~'.i~n,
ni fisica ni
qufrnicamente. La Irti'sdb.tntl~d entre el refrigeraqt'e y .el aceite ~,~·.~Jiij~~~Ientehasta el gra·
do e-ri'!i]1:leel aceiteJ~:e~'W~:y.~Bo
a las partes suo
jetas a' '''des~~~,~eJ:;'.
per6::Iio"" tanto que haga
inefectiva la 'lubirftition~
..• •
••..
.... .::-..;_;'_~"r~.,~!!:-:.:;~~1
e·, ;... ~.' >.. "
Tendencia a las fugas. Es conveniente que la
tendencia a las fugas en el sistema sea minima,
desde el punto de vista del costo y a veces 'de
seguridad. Por supuesto,
'presiones altas
ocasionan que aumenten las fugas. Por 10 gene·
ral, los refrigeran tes que poseen pesos moleculares bajos, se escapan con mayor facilidad. E1
amoniaco, que tiene uno de los pesos moleculares mas bajos, tiene una gran tendencia a desarrollar fugas.
las
Facilidad para detector lasfugas. Es corrveniente que las fugas del refrigeran te se puedan detectar facilmente, de manera que la perdida del
mismo sea mi~ima. Los metcdos utilizados para
]a detecciori de fugas dependen de las propiedades del refr igerante, como se distil tira mas
adelante.
Costo y disponibiZidad. Es obvio qu e sean
deseables como caracteristicas del refrigeran·
te, su costo razonable y su adecuada d isponibilidad.
9.6 Deteccion .de}~gas
.
",
Los meto(f~s de d~ctetti8d~;':g~\ttg~s se discuten aqui pt{~cipalrh~rite'B~st~ ef'grado en que
Ilegan a relaciona*¥.~~cgn·.l9s'h:~(tigerantes. Una
descripcion detall~:i:"4.~;~e
10,5pi-6c~dimientos de
~:~:c~~~?~:n:~Mrf~:~;~~~~r~~~,as
apro~iado
Lasfugas s~j;;'pu~d~hdetec'th?;'ya sea presurizandoel sist~iD~ ycomprobando
las fugas hacia ef"~xterior;~'~ip!§dq~~i~IJ~,Oun vacio parcial
en el:sistema, y 1~~gb;t6Jhpiobando la existenciaa~_un aumeri"t'$ en la presion mediante un
maif9,tnetro de p~,~ba. EI metodo de com pro·
bacion por vacio';p~ede indicar la presencia de
uniJtiga, pero n!~:{donde esta situada. La prueba d'~,!B~a.,~
pqr;":vacio se realiza normalmente
despu~tdfici\1~ se haya terminado la prueba
de presion y reparacion de las fugas, como una
cornprobacion final.
,.
"..::t:;l'
Cuando se efecnia una' prueba de'presiod'
en un sistema nuevo, se utiliza ya sea el refrigerante 0 una mezcla de refrigerante y un gas
inerte como eI nirrogerio. Este ultimo metoda
es mas econornico, si existen fugas de consideracion al efectuar la prueba.
,
Losmetodos para determinar las fugas; ylos
equipos utilizados difieren en cuanto a su sensibilidad, costa; y refrigerantes para los que re.sultan apropiados, El detector electronico de
fugas (figura 9'.1), utilizado con los refrigerantes halocarburos, es un dispositive muy sensible que puede detectar fugas extremadamente
pequefias (tan pequefi as como I onza eli 100
afios). EI detector tiene un elemento en la punta de la sonda, el cual crea una emision electrica en la presencia de un gas halocarburo. La
serial electrica se convierte en el dispositive,
ya sea en una serial visual 0 en una audible.
La antorcha de haluros se util iza tambien
para detectar las fugas de los refr igerantes ha>,'
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214 I Refrigerantes, salrnueras, ace'ites y contaminantes
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..".,'.;'
Figura 9.1 Detector electr6nico de fugas. (Cortesfa
de Robinair Mfg~ Di,-:.).
"
'"
]~cax:bufos. Este dispositive consiste ,de uri pe·
tanque de propane, un quernador con
un elernento de cobre y una wanguera "aspiradora" (figura 9.2). La manguera se utilizajunto can una so~da en la: union en donde se
sospecha la',~~istencia.de una fuga, 'E}'dispositivo aspira, ~ediante la manguera, cualquier gas
q;ue este presen ~e"y 10 conduce hasta el quemador, La flarna cambia a un color azul verdoso
en la presencia de tanto un gas halocarburo,
como del cobre, 10 que indica una fuga, La antor~ha de haluros tiene una sensibilidad a las
fugas de alrededor de.T onza por afro.
Un problema que puede suscitarse cuando
se utiliza tanto el detector electronico como la
antorcha de haluros, es el siguiente. En el caso
de existir fuga de gran magnitud, el refrigerante presente en el area general puede activar el
q~en:q
Figura 9.2 Antorcha"de'haluros para la deteccion
de fugas (Cortesia de Robinair Mfg, Div.).
'
"
.
\
..:
.'
dispositive, hacienda ~as'dificillocalizar las
fuentes de; las fugas. Una buena ventilacion
puede ayudar a minimizar este problema.
La prueba de las burbujas de jabon es un
metodo sencillo y a menudo efectivo para detectar el origen de las fugas, Lajunta 0 conexion
se cubre con una solucion dejabon 0 detergente. E1 gas que se escapa forina burbujas en la
fuga. El metodo de las burbujas dejabon puede utilizarse con cualquier refrigerante. Resulta mas efectivo cuando 10. presion del sistema
es elevada.
Objetivns I 215
.":l
Las fugas de amoniaco se pueden detectar haciendo arder una vela de azufre cerca
dellugar sospechoso. La reaccion con el arnoniaco forma una nube blanca visible. Hay
otro metodo que utiliza un papel indicador
que cambia de color en presencia del arnoniaco.
Los rnetodos descritos se aplican principalmente a la prueba de sistemas completos
despues de su instalaciori, incluyendo las tuberias, conexiones, valvulas y accesorios. Los
fabricantes utilizan, adem as de los ya mencionados, otros procedimientos para detectar las
fugas en las unidades integralesya ensarnbladas. Por ejernplo, una vez que la unidad se ha
presurizado, se sumerge en agua para detectar las fugas.
. Otra prueba q-ue se lleva a cabo en.la fabrica para detectar las [ugas, es el rnetodo del es.pectrometro de masa. La unidad se coloca en
un espacio cerra do que se evacua y luego se
llena con helio. El gas que se evacua de la unidad se hace pasar!por un dispositivo.llamado
espectrometro de masa. Este dispositive tiene
una escala de medici on qu e indicala presencia de helio en el gas que se evacua (10 que indica una fuga hacia adentro), Este rnetodo es
extrernadamente
sensible. Se utiliza :para la
prueba final de fugas en las maquinas de re·frigeracion po;r;.absorci6n.
"
i
'"
9.7 Composicion del refrigerante
Entre las sustancias que se utilizan como refrigerantes en los. sistemas de com presion de vapor, se incluyen .Jos halocarburos, el arnoniaco, y
los hidrocarburos. El amoniaco y el agua se utilizan en los sistemas de absorcion. Las formulas quimicas y los nombres de los refrigerantes
no tienen ninguna irnportancia en esta discusion, y no se mencionan. Todos los refrigerantes se designan por un sistema uniforme de
codificacion nurnerica, como R·Il; R-12, R-502,
R-717. Anteriormente,
los halocarburos se designaban por su nombre comercial registrado
pOl' el fabricante.
Por ejemplo, al R-12 se Ie lla-
maba Freon
Uc6n 12.
12, Cenetron
12. Isotrori
12, ()
Halocarburos. Estos constituyen el gru po
de refrigerantes masarnpliamente usados. Su
nombre indica que son derivados de los h id rocarburos (compuestos de hidrogeno y carbono), pero contienen ademas elementos llamados
halogenos (como el cloro y eJ fluor). Se usa asimismo el nombreJluorocaTburos, puesto que todos los halocarburos .que se utilizan Como
refrigerantes,
contienen fluor. Aqui s610 se
mencionan algunos halocarburos utilizados
como refrigerantes.
Los halocarburos tienen por 10 general caracteristicas muy convenientes. Tienen baja toxicidad, no son inflarnables, y tienen muy
buena estabilidad quimica. Se dispone de una
amplia variedad, con diferentes caracteristicas
de presion y temperatura, y de puntos de ebuIlicion, de manera que es posible hallar un h alocarburo en particular para practicam en te
cualquier aplicacion. No .obstante, si bien no
son. t6xicos en circunstan cias. normales, las
temperaturas muy aItas (directamente de las
flamas) pueden causar su descomposici6n, 10
que produce gases toxicos. ';
. Los refrigerantes halocarburos R-12, R-22 Y
R-502.se utilizan arnpliamenteerr los sistemas
de compresores reciprocantes, tanto para las
aplicaciones, de .aire acondicionado como de
refrigeracion
comercial. Sus caracteristicas
de presiony temperatura a'las condiciones tipicas de evaporaci6n y condensacion, junto
.con su bajo volumen especifico, los hacen adecuados para adaptarse a las caracteristicas de
los compresores reciprocantes, como se discutio previamente en este capitulo ..
El R-22 tiene un volumen especifico mas bajo y un mayor calor latente de vaporizacionque
el R-12, a la misma temperatura de evapora·
cion. Por consiguiente, la utilizaci6n del R·22
a veces permite hacer usa de un compresor de
menor tarnafio, que si se utiliza el R-12, para
obtener la misma capacidad de refrigeraci6n.
No obstante, el R·22 generalmente no es reco-
216 I Refrigerantes,
salmueras, aceites y contaminantes
mendable para utilizarse a bajastemperaturas
comerciales. Sus caracteristicas son tales que
la presion y temperatura de descarga son por
10 cormin, excesivas.
El R-502 es una mezcla azeotropica de dos
halocarburos (R-22 y R-IIS). Un azeotrope es
una rnezcla que se cornporta como si fuera una
mezcla hornogenea. EI R-502 tiene un bajo volumen especifico, YpOTtanto, si se utiliza para
sustituir £IIR-12, sera posible utilizar un compresor de menor capacidad. Sus caracreristicas
de presion y temperatura son de tal naturaleza que se puede asimismo utilizar en la gama
de las bajas temperaturas comerciales, a diferencia del R-22.
EI n.n, R-1l3 YR-114 son refrigerantes halocarburos con un alto volurnen especifico. Por
esta razon, son apropiados para usarse en los
com presores cen trifugos de refrigeracion, que
son inherentemente
dispositivos de una elevada cap acid ad volumetrica, No obstante, en
el caso de los sistemas centrffugos de gran capacidad, se utilizan refrigerantes cuyo volumen
especifico es mas bajo, como el R-12, para man"
tener razonablemente pequefio el tamafio del
compresor.
Un problema que implica a los fluorocarburos, y que no esta directamente asociado con el
sistema de refrigeraci6ri, es su efecto potencial
sobre lacapa, terrestre de ozono. EI ozono filtra
el exceso de la radiaci6n solar ultravioleta, la
que de otro modo seria muy perjudicial para
los seres humanos.Existe una diferencia de opinion sobre el alcance de dicho efecto. Actualmente se hace trabajo de investigaci6n en un
intento por resolver este problema.
:..;:>:
Amoniaco (R·717). Este refrigerante es toxico,
y a ciertas concentraciones, explosivo, 10 que
excluye su utilizacion en muchas aplicaciones.
Se utiliza, con restricciones apropiadas, en la
refrigeraci6n de almacenes, fabricaci6n de hie10, y en aplicaciones industriales, si bien los ha·
locarburos tam bien se utilizan. EI arnoniaco
tierie un bajo volumen especifico y un alto calor latente de vaporizacion en relaci6n con los
halocarburos, 10 que puede resultar en la uti·
lizaci6n de equipos de menor tamario, en comparacion con otros refrigeran tes.
Las plantas de cornpresion de vapor que trabajan con arnoniaco, utilizan par 10 general de
I a 2 por ciento menos energia que las que uti.
lizan halocarburos en las mismas condiciones.
Adernas, el amoniaco es un producto quimico
mucho menos costoso. Estos faetores referen.
tes ala energia y a los costos, pueden resultar
significativos en los sistemas de gran capacidad. Pero como ya se ha indicado can anrerio.
ridad, la elevada temperatura de descarga del
amoniaco obliga a enfriar el compresor con
agua, a fin de evitar problemas de Iubricacion
y contaminacion.
EI amoniaco se utiIiza como refrigerante en
los sistemas de refrigeracion por absorci6n del
agua amoniacal. EI agua tiene una gran afinidad para absorber el arnoniaco, 10 que hace
atractiva 1a combinacion; ademas, las'presio"
nes en el sistema no-son ni 'extremadamenrbajas ni- extremadamente
altas.
Hidrocarburos. .Algunos hidrocarburos se utili.
zan como refrigerantes; entre estes se incluyen
el propano; 'metano y etano. Sin embargo~
son fiUY inflamables y explosivos, 10 que limita en extremo su utilizaciori. Se utilizan 'a
veces en las plantas petroquirnicas
y las reo
finerias de petroleo, debido en parte a su dis"
ponibilidad.
Agua. El agua se utiliza como refrigerante en
el sistema de absorci6n de bromuro de litio y
agua (vercapitulo
13). Sus caracteristieas de
disponibilidad, seguridad y costo, hacen ideal
su utilizaci6n en los sistemas. Sus presiones
muy bajas a las temperaturas adecuadas de eva.
poracion, dan por resultado presiones extremadamente bajas en los sistemas, dando origen
al problema de las filtraciones de aire hacia el
interior del sistema. POT supuesto que ell~so
del agua como refrigerante esta Iirnitado a las
temperaturas de evaporacion por arriba de su
punto de congelaciori, 32°F (O°C).
Objetivos
EI agua no resulta apropiada como refrigerante en los sistemas de cornpresion de vapor_
Su presencia haria extremadamente
dificil de
irnpedir la corrosion. Adernas, su volumen es-
pecifico extremadamente elevado, como vapor,
obligaria a utilizar equipos de un tamafio
excesivo.
9.8 Enfriadores secundarios
(salmueras)
:....
;
',!
EI refrigerante que se evapora en los sistemas
tanto de compresion de vapor como de absorcion, se utiliza a menudo para enfriar un liquido que se utiliza luego para enfriar la carga
final. Esta es, a menudo, la disposicion utilizada en los gran des sistemas de aire acondicionado, EI' refrigerante que se ha evaporado
circula a traves de un enfriador de agua. EI
aguafria se distribuye entonces a los serpentines de enfriamiento del aire acondicionado en
los espacios que se deben enfriar. EI Jiquido
sometido a enfriamiento en este tipo de aplicacion se Barna enfriador secundario 0 refrigerante secundario, para distinguirlo del refrigerante
primario, el liquido que se'evapora.
Un enfriador liquido secundario puede distribuirse a largas distancias sin problemas. Si
se utilizara un refrigerante primario, podria
ocurrir la vaporizacion siibita como resultado
de la excesiva caida de presion, originando
problemas de operacion y control.
EI enfriador secundario tarnbien resulta
conveniente cuando el refrigeranteprimario
es
texico. Por ejemplo, una planta de refrigeracion de amoniaco se puede instalar en: un sitio
alejado, con un enfriador secundario seguro,
distribuido hasta la carga que se desea enfriar._
Aparte del agua, se utilizan a menudo soluclones de agua y otras sustancias, como enfriadores secundarios, Estas soluciones se coriocen
corminmente como "salrnueras". Este nombre
proviene del hecho de que una solucion de cloruro de sodio y agua (los mismos ccimponentes
del agua de mar) fue una de las primeras cornbinaciones utilizadas en la fabricacion de hielo.
I
217
Las salmueras se utilizan como rcfr igeran
tes secundarios en lugar del agua, debid o a que
su punto de congelacion
es por 10 general rnucho mas bajo. Esto las hace apropiadas para
muchas aplicaciones de la refrigeraciori a baja
temperatura, en don de es conven iente un enfriador Iiquido. EI punto de congelaci6n de
las salmueras cambia con la concentracion
de la
sal presente en la solucion. EI punto mas bajo
de congelacion se conoce como la temperatura eutectica.
Entre las salmueras que se utiJizan a menudo en la refrigeraci6n moderna, se incluyen soluciones decloruro de sodio 0 cloruro de calcio
y agua, de etileno glicol y agua, propileno glicol y agua y metanol con agua. Se utilizan asimismo algunas sustancias puras con bajos
puntos de congelaci6n, entre las que se incluyen el cloruro de metileno, el tricloroetileno, y
.algunos de los refrigerantes halocarburos.
Propiedades fisicas de Ius salmueras. Las siguientes propiedades fisicas de las salmueras
tienen importancia en el rendimiento y 'en las
necesidades de energfa ..
1..
1. Calor especifico. Es' conveniente que el calor especifico- sea elevado, debido a que
siendo asi, se requiere un menor flujo de
salmuera para remover una cantidaddada
de calor. Esto reduce .la potencia de' bornbeo y quiza el tarnafio del equipo.
2. Conductiuidad terinica: Una conductividad
terrnica elevada aumenta la transferencia de
calor.
3. Viscosidad. Una baja viscosidad indica que
habra menos friccion, y por consiguiente,
una potencia de bombeo mas baja. La baja
viscosidad aurrierita, ademas, la transferencia de calor.
4_ Densidad. Si bien una densidad elevada
aumenta la transferencia de calor, tarnbien
aumenta la potencia de bombeo.
218 I Refrigerantes, salmueras, aceites y contaminantes
Las salmueras tie nen otras caracteristicas convenientes como el hecho de que no son toxicas, corrosivas oinflamables, adernas de tener
un costo razonable.
Las soluciones de cloruro de sodio y cloruro
de calcio (sal) tienen un costo baja, son relativamente poco toxicas, y no son inflarnables. Han
tenido un amplio uso en la industria alimenticia. El cloruro de sodio se utiliza cuando tiene
lugarel contacto directo can los alimentos. Su
temperatura eutectica es de - 6°F, 10 que limita
su utilizacion a temperaturas de los productos
por arriba de O°F.·El cloruro de calcic es adecuado para aplicaciones dehasta --'30°F. Ambas
sales
son bastante corrosivas
al conracto con
,
.
muchos .metales, induyendo el cobre y el acero,
10 que disminuye su convenienda. Se pueden
afiadir inhibidores de corrosion ala solucion, pero
deben ser c~idadosamente controlados y verificddos, a fin de mantener su efectividad.
La corrosion producida par los glieoles puede ser controlada-rnediante la adicion de.inhi-:
bidores, El propileno 'gUcoLes relat,ivamente
muy poco taxi eo, pero su viscosidad es muy.alta,lo que ocasiona que 1£1,
potencia de bornbeo
sea excesiva. EI etileno glicol es mas toxico
pero tiene una viscosidad.mas baja.Los glicoles tienen buenas propiedades terrnicas y se
usan ampliamente en las aplicaciones industriales ...
A .terrrper'atu ras. muy ..bajas (inferiores a
- 30 OF), la viscosidad de la mayoria de las salmueras es demasiado alta y no es practica su
utilizacion, si bien el cloruro de metilo, y el R-ll
poseen viscosidades razonablernente bajas a estas temperaturas.
forma una delgada pelicula entre las superficies. La lubricacion sirve para dos objetivos
principales: reduce el desgaste de las piezas y
disminuye laresistencia ala friccion. La reduccion del desgaste evita que se dane el equipo, .
alarga su vida, y disminuye el mantenimiento. Al
disminuir la resistencia ala friccion se reduce
la potencia necesaria para mover el compresor.
En todos los tipos de compresores, se requiere la Iubricacion en los cojinetes del eje. Los
compresores reciprocantes tienen asimismo
un amplia area de contacto entre los pistories
y las paredes de los cilindros. Los cornpresores rotatorios y heIicoidales (de tornillo) poseen areas de contaeto similares, pero son
mucho men ores que las de los compresores reciprocantes. Los compresores' centrifugos no
requieren Iubricacion entre el impulsor y la
carcaza, puesto que no existe ninglin contacto
entre ellos, Los metodos de lnbricacion se dis. cuten en los capitulos que tratan de los corm
presores.'
».
\ «, ,'
,-.'
E1 aceite para refrigeracion Ileva a cabo algunas funciones adicionales ademas de la lubricacion. En el caso de los cornpresores de
desp1azamiento positivo, elaceite provee un
sello liquido entre los lados de altay baja presion (descarga y succion) del compresor. Si no
existiera este sella, el gas refrigerante presentarfa fugas alrededor del. piston y.;no se pcdria
alcanzar unacompresion
adecuada ..El aceite
sirve asimismo como un agente enfriador, llevandose el calor generado por Ja friccion en
las partes que lubrica.·
t
9.10 Composicion de los aceites
. ",':
ACEITES PARA REFRIGERACION
,
9.9 Objetivos de los aceites para
refrigeracion
'I..;
Los aceites se utilizan en los compresores de
refrigeracion para lubricar las superficies que
estan en contacto y friccionan entre S1. El aceite
. ,~.,
Los aceites utilizados como lubricantes pararefrigeracion se derivan general mente del petroleo, que es un aceite mineraL Los aceites
organicos (vegetales 0 animales) no son adecuados para utilizarse en la refrigeracion, debido .
principalmente
a que forman acidos con el
uso.
EI petroleo es una mezcla compleja, compuesta principalmente de hidrocarburos. Para
Aceites para refrigeracicin I 219
los objetivos de nuestra discusi6n, la composicion se puede agru par en tres tipos de
sustancias: naftenos, parafinas y arornaticos.
I,
:
;:,
.
\:
\
)'
Tarnbien se encuentra presenre una pequeiia
cantidad de sustancias que no son hidrocarburos, tales como el azufre. La proporci6n de los'
tres tip os de hidrocarburos varia, dependiendo del origen. Algunas parafinas precipitan
Una cera dura a bajas ternperaturas, 10 cual
constituye una caracteristica indeseable para
su utilizacion en la refrigeracion. Esto no tiene importancia, por 10 corruin, debido a que
el proceso de refinaci6n para producir aceites
de refrigeraci6n incluye la eliminaci6n de la
cera. En el proceso de refinaci6n se remueven
adernas otros componentes indeseables que
pueden originar acidos durante su uso,
Se han desarrollado aceites. sinteticos, los
que resultan apropiados para algunas aplicaclones de la refrigeracion. Por ejemplo, el aceite mineral y. el refrigerante R-22 tienen una
miscibilidad limitada. Algunos aceites. sinteticos.se mezclan de una manera mas completa
con el R-22. Una alta rniscibilidad rnejora la
capacidad del aceite para retornar .al cornpresor. ,
., ,
. A veces se afiaden aditivos a.los 'aceites d~
refrigeracion, con el fin de mejorar ciertas propiedades deseables, tales como la viscosidad y
la estabilidad quimica, y ademas para inhibir
la corrosion.
,
.
9.11 Propiedades de. los' aceites
para .refrtgeracion
.
:;,::
Las propiedades fisicas y quimicas que tienen
importancia en la determinacion de si un aceite para refrigeracion funcionara satisfactoriamente, incluyen la viscosidad, el punto de
fluidez, separacion de la cera, resistencia dielectrica, punto de ignicion, estabilidad quimica, contenido de humedad, tendencia a
formar espuma, color, solubilidad del aire y
miscibilidad del aceite y el refrigerante. Estas
caracteristicas y. sus efectos se discuten brevemente.
Viscosidad. Se trara de una propiedad de los
fluidos que causa resistencia al flujo, A veces se
Ie llama friccion interna. Un aceite grueso, de
alta viscosidad, aumenta la resistencia al movimiento de las piezas que se lubrican, aumentando asi la demanda de potencia. Adernas, si
la viscosidad es demasiado alta, el aceite no podra siquiera penetrar entre las superfici es que
se deben Iubricar. Por otra parte, si la v iscosidad es demasiado baja (aceite delgado), la pelicula de aceite puede ser expulsada de entre
las superficies por presion, y la lubr icaci on no
sera adecuada. Adernas, puede ocurrir que el
aceite no pueda mantener un sello efect ivo de
presion entre la descarga del cornpresor y la
suction.
La viscosidad disrninuye con las'temp eraturas altas y aumenta con las temperaturas bajas. ''A altas tem peraturas, puede sucedcr que el
aceite sea dernaslado delgado y que no sea capaz de lubricar adecuadarnente, Y a bajas temperaturas puede ocurrir que la resistencia por
friccion sea demasiado alta. 'En las aplicaciones a baja temperatura, es posible que, con un
aceite inapropiado, la viscosidad sea tail alta
que el acei te se quede en el evaporador y no
retorne alcorn presor. En general, se debeseleccionar un aceite con la viscosidad mas baja
posible. dentro de su gama deternperaturas,
que perrnita.aun lubricar el compresor de rna. nera adecuada y actuar como un ,sello de presion. Esta condiciori lleva al m inimo las
necesidades .de energia.
A menu do, en. el caso de los refrigerantes
halocarburos, una mezcla de aceite y refrigerante.. efecnia la lubricacion, de rnanera que la
viscosidad .de la mezcla es importan teo Este terna se discutira en breve.
Punta de Jluidez. El pun to de fluidez de un
aceite se define como la mas baja ternperatura a la que puede fluir. Debe seleccionarseun
aceite para refrigeracion cuyo punto de fluidez sea convenientemente bajo, con el fin de
asegurar la fluidez a las condiciones del lado
de baja. El punto de fluidez es importante en
·220 1 Refrigerantes, salmueras, aceites
y contarninantes
·105 sistemas
en los que no se mezcJan el refrigerante y el aceite. En el caso de aquellos reo
frigerantes halocarburos, en donde existe una
mezcla de aceite y refrigerante en el lado de
baja, la temperatura del punto de fluidez del
aceite puro careee de irnportancia.
Separacion de la cera. Las eeras que existen na-
turalmente en el petroleo se eliminan como
parte del proceso de refinacion, si bien permaneeen cantidades muy pequefias de cera en el
aceite para refrigeracion. Cuando se reduce la
temperatura del aceite, la cera se puedeseparar como un solido, Esta cera puede obstruir
los tubas capilares a las valvulas de expansion,
10 que afecta el funcionarniento. Los aceites
con base de naftenos forman por 10 general
una cera mas suave que los aeeites con base de
parafinas, la cual no es tan perjudicial, pero
de todas maneras es indeseable.
La tendencia a la formaci on de cera que
puede. tener un aeeite, se determina mediante
la prueba dejloculacum. EI aeeite se enfrfa hasta
que aparecen grumos de cera (floculos), Esta
temperatura se conoce como el p.unto de floculacion. Se debe seleccionar un aceite de refrigeracion que no forme cera a las ternperaturas mas
bajas que se puedan encontrar en su aplicacion,
Resistencia dielectrica. Los aceites son por 10
general buenos aisladores electricos (poseen
una resistencia electrica elevada). La resistencia
dielectrica de un aceite constituye una medida
de su resistencia electrica. Se define como el
voltaje al cual falla la resistencia y se vuelve un
buen conductor electrico. Un aeeite para refrigeracion tiene normalmente una resistencia
dielectrica de 25 kilovolts 0 mayoc
La capacidad dielectrica satisface dos objetivos como una medida de las caracteristicas
deseables de un aceite de refrigeracion, Los
contaminantes presentes en el aceite, como el
agua, reducen su resistencia electrica. Por consiguiente, una elevada eapacidad dielectrica in~iea que el aeeite esta relativamente libre de
contaminantes. En las unidades herrneticas,
una elevada capacidad dielectrica, indica que
el aceite no contribu ira a que tenga lugar u n
cortocireuito en el motor.
Punto de ignicion. EI punto de ignicion de un
aceite es la temperatura a la cual el vapor de
aceite ardera si se expone a la flama. EI punto
de ignicion nose utiliza para medir la combus.
tibilidad de los aceites para refrigeracion, puesto que no existe por 10 general peligro a]guno
de que esto pueda ocurrir bajo las condiciones de su utilization. No obstante, el punto de
ignicion constituye una indicaci6n de la estabilidad delaceite para resistir la descomposicion a' temperaturas elevadas, Un aeeite para
refrigeracion debe tener un punto de ignicion
muy por arriba de 300oF~
Estabilidad quimica.
Un buen aeeite para refrigeracion debe ser quimicamente estable. Esto
es, no debe descomponerse 0 formar productos perjudiciales bajo las condiciones que sue- .
Ie encontrar. Las ternperaturas
elevadas
pueden causar la descomposicion del refrige.
rante;,dejando depositos de carbon como -residuo (carbonizaci6n), los que pueden ser
perjudieiales. Los aceites pueden reaecionar
con.Iosrefrigerantes (, eontaminantes presenres en el sistema, produciendo entre OtTOS.
productos, acidos 0 .sedirnentos. La estabilidad
quimica se mide mediante el analisis del aceite practicado ya sea en ellaboratorio 0 en los
sistemas en operacion.
La resistencia del; aciete ala' oxidacion
(Hamada estabilidad de oxidaciori) se utiliza
como una medida de la estabilidad quirnica.
El aceite se ealienta en la presencia de oxigeno, y se observa la eantidad de sedimento pro·
ducido. La oxidaei6n pOT S1 misma no
constituye un problema bajo laa condiciones
de hermeticidad que se encuentran en los sistemas de refriger acion, pero esta prueba es
una medida de la estabilidad quimica en
general.
Contenido de humedad.. Un buen aceite para
refrigeracion debe tener un contenido de hu-
Aceites para refrigeraciorr f 221
medad muy bajo, ya que el agua puede formar
productos corrosivos y puede congelarse en caso de estar presente. Por 10 general, el proceso
de refinaci6n reduce el nivel de humedad a un
valor aceptable. Se debe tener cuidado de que
el contenido de humedad del aceite no aurnen-.
te durante su manejo.
Tendencia a la [ormacuin de espuma. Los aceites varian en su tendencia a forrnar espuma,
dependiendo de su composici6n. En general, es
indeseable una tendencia excesiva a formar espuma, ya que asi se reduce la efectividad de
lubricaci6n del aceite.
.'
,,
;.
~
-;
f; ..
Color. EI color de un aceite para refrigeraci6n
no es de por sisignificativo.ipero esunindicio
de su calidad, Un aceite de color oscuro indica
que existen' en el misrno algunos componentes
indeseables, los cuales no han sido eliminados
en el proceso de refinacion. Un color arnarillo palido constituye una'indicacion de-buena
calidad. Es posible refinar en exceso el aceite,
de manera que se remuevan algunos constituyentes que contribuyen a proporcionar 'una
buena Iubricacion, Un color muchomuy claro
del aceite indica esta situacion, y a este suele
llarnarsele "aceite blanco". Anteriormente se
consideraba que este color constituia el color
apropiado para un buen aceite para refrigeracion. Recientemente se han desarrollado metodos de refinaci6n que permiten producir un
buen aceite para refrigeracion, que tambien es
incoloro. Debe quedar muy bien establecida la
diferencia entre este aceitey el aceite blanco
inadecuado.
Solubilidad del aire. EI aceite puede disolver
al aire, y puede contener, inicialrnente, aire en
soluci6n. Este aire se elimina durante el pro·
ceso de refinaci6n, pero se debe tener cui dado
de que no se disuelva una cantidad excesiva de
aire durante el manejo. El efecto del aire en el
funcionamiento del sistema se discute en el capitulo 7.
9.12 Miscibifidad del aceite y
eI refrigerante
La mayoria de los refrigerante halocarburos en
estado gaseoso son muy solubles en el aceite; es
decir, tienen una miscibilidad elevada. Los reo
frigerantes R-ll y R12 son completamente rniscibles en el aceite a todas las temperaturas que
se manejan en las aplicaciones de la refrigera·
cion. El R·22 es completamente miscible a ternperaturas elevadas, pero s610 parcialmente
rriiscible a temperaturas mas bajas. Esto es, la
proporci6n de R-22 que se puede disolver en
aceite se reduce a ternperaturas mas bajas.
EI refrigerante y el aceite se mezclan de manera inevitable en los sistemas de refrigeracion. Por
ejemplo, durante las paradas, el gas refrigeran·
te puede emigrar al aceite presente en el carter
debido a su presi6n, mezclandose con el aceite
que ahi se encuentra. La mezc1a establece Contacto con las superficies de desgaste y precede
a su lubricaci6n. La viscosidad de la rnezcla disminuye a medida que aurnenta la proporci6n
de refrigerante. Esto complica el problema de
asegurar una adecuada lubricaci6n, debido,
principalmente,
a que las proporciones de la
mezc1a pueden carnbiar segun las condiciones.
La mezc1a de aceite y refrigerante que lubriea
al piston y las paredes de los.cilindros se haee
pasar por todo el sistema. Esto significa que se
debe asegurar un retorno continuo del aceite
al carter, ya que de no ser asi, se priva al misrno de la eantidad adecuada de aceite.
En el casode refrigerantes como el R22, cuya solubilidad en aceite disminuye a temperaturas mas bajas, una parte' del aceite puede
separarse cuando la mezcla Ilega al evapora·
dor. Esto agrava el problema del retorno del
aceite, puesto que es mas facil poner en movimien to la mezcla, que el aceite mas denso y viscoso. Ademas, el aceite puede recubrir las
superficies de transferencia de calor, reduciendose aai la capacidad de enfriamiento.
El arnoniaco y el aceite no son miscibles en
forma significativa, y por consiguiente la viscosidad del aceite no se reduce por diluci6n.
222 I Refrigerantes, salrnueras, aceites y contaminantes
,
Sin embargo, el aceite puede pasar a traves de.
una parte del sistema y acumularse en el equipo, de manera que la separacion y retorno del
aceite continua siendo un problema. En los capitulos 5 y ]] se discute detalladamente el pro·
blema del retorno del aceite, asi como los
metodos para resolverlo.
Inicialmente el aire se remueve del sistema
mediante tecnicas apropiadas de evacuaci6n,
como se describen en los manuales de servicios. Durante la operacion de sistemas de gran
capacidad sometidos a presiones, menores que
la atrnosferica, el aire puede removerse me.
diante purgas, junto con otros gases no can.
densables (ver el capitulo 10).
CONTAMINANTES
9.14 Agua (humedad)
Entre las sustancias que pueden estar pre·
sentes en los sistemas de refrigeraci6n y que
pueden causar darios fisicos 0 afectar el funcionarniento, se incJuyen e) aire, agua (en forma de hurnedad), ceras, particulas extrafias,
acidos y sedimentos. Enseguida se discuten las
posibles fuentes de dichos contaminantes, sus
efectos, y su tratarniento.
El agua puede estar presente en un sistema de
refrigeracion, proveniente de las fuentes que
se indican a continuacion:
. " ~.'
9.13 Aire
EI aire puede estar presente en el sistema de
refrigeracion debido a que no se evacu6 totalmente antes de cargar el sistema con refrigerante, 0 debido a~la existencia de fugas en
alguna parte del sistema que se halle por debajo de la presion atmosferica {si la hubiera).
On-as posibles fuentes de aire, como el que se
puede encontrar en solucion en el aceite, son
por 10 general insignificantes.
El aire se puede acumular en el condensadol', en donde afecta adversamente el rendimiento, al aurnentarla presion de descarga.Ia
que reduce a su vez la capacidad de enfriamiento, a aumenta el consu mo. de potencia, 0
ambos. La presion mas elevada de descarga,
causada par 13 presencia del aire en el condensador cia par resultado temperaturas de
descarga mas elevadas. Esto puede ser causa de
un deterioro mas rapido del aislamiento del
motor en las un idades hermeticas, EI oxigeno
presente en el aire es una de las sustancias reo
queridas para que tengan lugar algunas de las
reacciones quirnicas que pueden dafiar el sistema. Se discutiran algunas de estas reacciones.
1. Deshidratacion inadecuada del equipo durante su fabricacion 0 al proporcionarle servicio en el campo. .
I.,
:',
2. Agua en el aceite 0 en el refrigerante,
.•
3. Aberturas en la parle del sistema que se e~:cuentre por debajo de 1a presion atrnosferica, 10.que resulta en la filtracion hacia:'~l
. interior del sistema de aire que contiene
vapor de agua.
1,
4. Fugas en un condensador enfriado po,r
. agtl;a, hacia el lade del refrigeran te deIa
unidad.
",
.
La humedad en el sistema puede producir
los siguientes efectos perjudiciales:
La formaciori de hie10 en el dispositivo de expansion puede obs"
; truir el flujo del refrigerante, y la forrnaciori
de hielo en el evaporador puede reducir la
transferencia de calor.
1. Coiigelacion del agua.
Esta corrosion pue·
de ocurrir en la forma de acidos, sedimentos 0 cobrizacion, todos los cuales requieren
agua y oxigeno. Estos contaminantes se describiran mas adelante.
2. Corrosion de los metales.:
3. Danos al aislamiento del motor en los compresores henneticos. Esto puede causal' la destruc-
Contaminante s I 223
cion del aislamiento,
10 que ocasiona que
falle el motor.
La humedad se rernueve de! equipo de reo
frigeracion por deshidratacion en la fabrica. Se
utilizan el calor, el aire caliente y seco, 0 metodos de vacio. En el campo, la humedad y el
aire se elirninan con las tecnicas apropiadas de
evacuacion. Se debe tener cuidado de que no
haya agua presente en el refrigerante 0 el aceite que se agyegan al sistema.
A fin de mantener la sequedad durante la
operaci6n, se instalan sec adores permanente·
mente en la ruberla de la Iinea del liquido. Estos dispositivos contienen un desecante, una
sustancia que absorbe el agua. Los secadores
se describen en el capitulo 11.
, ,,
"
."
9.15 Partfculas extrarias
Muchos tipos de materiales indeseables pue·
den entrar al sistema durante su fabricacion 0
instalacion.Aquise
incluyen los oxides de hierro y cobre procedentes de los diversos tipos de
soldadura, fundente de soldadura, polvo, agen·
tes Iirnpiadores, y particulas rnetalicas. Estas
sustancias extrafias pueden tapar los pasajes,
interfiriendo
con el enfriamiento 0 con la
lubricacion, Algunas sustancias pueden reaccionar para formar acidos 0 sedimentos. Las
particulas abrasivas pueden desgastar el aislamiento del motor. Las particulas metalicas pue·
den causar un cortocircuito.
Cualquier sustancia extrafia se debe rernover durante la fabricaciori 0 instalacion. Durante la operacion, se utilizan cornbinaciones
de filtros secadores y coladorcs en la linea
de sueci6n a fin de atrapar la; particulas extrafias.
'9.16 Ceras, sedimentos y acidos
Despues de la refinacion siempre queda alguna cera en el aceite para refrigeracion. Los
aceites utilizados en la fabricacion y que se que·
dan en el sistema pueden asimismo contener
ceras. Si la cera se precipita del aceite, puede
tapar las aberturas de los dispositivos de ex"
pansion, y afectar seriamente al rendimiento. Un
aceite para refr igeracion se debe seleccionar
. de manera que no precipite cera a las temperaturas de operacion.
El sedimento es una sustancia pegajosa formada por la descomposicion del aceite debido
al calor. La descomposici6n del aceite, co nocida como casbonizacum 0formacion de coque, forrna carbon. El carb6n se puede convertir en
sedimento en presencia de contaminantes.
EI
sedimento puede obstruir el flujo, y afectar asi
el rendimiento, y puede, adernas, ser cor rosi.
vo. La meJOT manera de evitarlo es median te
la utilizacion del aceite apropiado, mantenien·
do limpio el sistema y evitando el sobrecalentamiento. Los filtros secadores pueden se rvir
para atrapar el sedimento.
Los acidos pueden estar presentes en el aceite, a se puedert formar por las reacciones de las
sustancias extrafias con el agua 0 el oxigerio,
o por la reaccion del aceite y el refrigerante
bajo deterrniriadas condiciones. Los acidos
pueden corroer las piezas metalicas 0 pueden
causar el deter ioro del aislamiento del motor.
EI mejor preventivo eonsiste en mantener limpia el sistema. Algunos desecantes utilizados
en los secadores, pueden asimismo remover los
acidos.
.
_,.
9.17 Cobrizado
Existe un tipode contaminacion qu.ejustifica
una mencion especifica; se corioce como cobrizado. Consiste en.Ia forrnacion de una capa
delgadade cobre sobre las piezas del C;ompresor,
especialmen te las chumaceras y las valvulas.
Tiene lugar, pOl' 10 general, poria disoluci6n
del cobre en presencia de una mezcla de aceite y refrigerante, seguida por Ia cobrizaciori
sobre la superficie metalica debido a las reacciones con las impurezas, el agua, y el oxigeno,
.Si el cobrizado resulta dernasiado grueso, puede
interferir con el funcionamiento
0 dafiar al
equipo. La mejor prevencio n consiste en u til i-
224 I Refrigerantes,
salrnueras, aceites y contaminantes
zar acei tes y refrigeran tes de alta calidad y
mantener una limpieza apropiada, como ya se
ha indicado.
PREGUNTAS
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DE REPASO
1_ ,Que efecto puede tener la seleccion del
refrlgerante en el sistema de refrigeracion?
2. ,Cm'iles propiedades fisicas de un refrigerante pueden afectar el rendimiento del
sistema? Explicar como tiene lugar cada
. uno de dichos efectos.
3_ ,Cmll es la desventaja de utilizar refrige.rante R-I2 en lugar del R-22 y el R-502?
4. ,Cuales son las principales caracterfsticas
de seguridad que se deben considerar al
seleccionar un refrigerante?
5_ ,Que es 10 que se debe considerar, al elegir un refrigerante, que puede afecrar la
.operacion yel mantenimiento del sistema?
6. Describir dos maneras de cornprobar
la
, existencia de fugas enun sistema de refrigeracion,
7·; ,Cuales son los dos metodos para detectar
fugas que se pueden utilizar con cualquier
refrigerante?
'.1
8_ Describir dos maneras de detectar fugas,
.que solo se pueden utilizar con refrigerantes halocarburos.
9. Describir dos maneras de detectar fugas,
que s610se pueden utilizar can el amoniaco.
10. Explicar como se lIeva a cabo una prueba
de fugas en las maquinas de refrigeracion
por absorcion del bromuro de litio.
II. ,Cmil es la cornposicion quimica general
de los refrigerantes halocarburos?
12. ,Par que son convenientes los refrigeran.tes halocarburos? ',Cual es una caracteristica potencial irideseabJe?
13. ~Que ventajas y desventajas tiene el refrigerante R-22, comparado con el R-I2?
14. ~Que es un azeotrope? (Que refrigerante
halocarburo l11uyutilizado, es un azeotropo? ~Por que razones se utiliza a menu do
en lugar del R-22?
15, Describir una caracteristica conveniente y
otra inconveniente del amoniaco para utilizarse como refrigerante.
16, 2Cucl1es,son los hidrocarburos
que se utilizan como refrigerantes? ~Cual es la caracteristica inconveniente que tienen?
17. 2En que sistema se u tiliza .el agua como un
refrigerante primario? ~Que problema se
presenta en su.utilizacion? ~Que limitacion
presenta su utilizaci6n?
18. Explicar el significado de los terminos refrigerante primario y refrigerante secundario
(enfriador) .
19. cQue es una salmuera? (Por que se utiliza
como un enfriador secundario?
20. (CmiIes son las propiedades de las salmu~ras que tienen irnportancia
en la refrigeracion? Explicar como afectan en el
funcionamiento.
21. Enumerar tres tipos de salmueras y sil's
aplicaciones,
.
.
22. (Cuiles son los'dos objetivos princip<\l~s
de los aceites para lubricacion>
" ."
23. ~Que bene!ficiOs derivados de la lubri~a:
cion, se obtierien en el sistema de r~frige:radon?",.
. '.
"
24. ,Que otras dos funciones secundarias 1l~~
va a cabo el aceite lubricante? . " :
25. (De qtie,spstancias puede estar compues.
to un aceite para lubricacion>
..
.
26. Enumerar y describir las propiedades que
tienen importancia en un aceite para
frigeracion.
'
27, ~Cuil debe ser la viscosidad de un aceite
para refrigeracion? .
.
28. (Cual debe ser el punto de fluidez de un
aceite para refrigeracion? tCuando no tiene importancia el punto de fluidez?
29. ,Par que la presencia de ceras en el aceite
puede constituir un problema? (Que es el
punto de flocu lacion? (Que tipo de aceite
presenta menos problemas potenciales de
forrnacion de ceras?
30. ~Cuales son las dos razones por las que se
debe conocer la resistencia dielectrica del
aceite?
re'-
Preguntas de repaso I 225
31. ~Por que es importante conocer el punto
de ignici6n del aceite?
32. ~Que es la carbonizaci6n? ~Que la produce?
33_ (Que es la miscibilidad?
34. Explicar, utilizando el comportamiento
del refrigerante R-22 y el aceite, los pro-
:~.r-:
blemas que se pueden suscitar por el grado de miscibilidad.
.
35. Enumerar los contaminantes que es posible hallar en un sistema de refrigeraci6n.
Descr ibir sus efectos.
36_ (Que es el cobrizado? ~Que efecto s produce?
,::
::..
:
,
.~:'.
I
.•
Capitulo
10
COMPRESORES Y SISTEMAS
CENTRfFUGOS
•...
',_.:
.
.::
,
3. Distinguir y comparar los metodos de control de la capacidad del compresor centrifugo.
4. Describir la construcci6n basica de los equipos centrifuges de refrigeracion.
5. Identificar los controles utilizados en los
equipos centrffugos.
6. Seleccionar uri' enfriador 'centrffugo de
agua. .
,
7. Indicar las rnedidas de conservacion de la
energia, en la seleccidny cperacionde los
equipos centrffugos,
.
Adernas de los compresores reciprocantes, roo
tatorios y de tornillo (rotatorios helicoidales),
se utilizan los compresores centrifugos en los
sistemas de refrigeraci6n.
En este capitulo se tratan los principios,
construccion, funcionamiento y caracreristicas
de disefio de estos compresores. Elcornpresor
centrifugo tierie un amplio uso en los sistemas
de aire acondicionado de gran capacidad. Es
esencial, para todo profesionaI de.la refrigeracion que,trabaje con sistemas de gran capacidad,
que posea un conocimiento completo de este
tipo de compresor. La cantidad total de energia consumida anualmente par todos los sistemas centrffugos es cuantiosa, y por 10 tanto eI
consumo y la conservacion de Ia energia son
aspectos que deben tomarse muy en cuenta.
Debido a que la mayoria de los compr..esores
centrifugos se utilizan en los sistemas enfriadores de Iiquidos, se estudiaran ahora, la disposicion, capacidades y seleccion de estas unidades.
10.1 Construccion y principios de
los compresores centrffugos
EI cornpresor centrifugo consiste de uno o rnas
irnpulsores equipados con un cierto mimero
de alabes curvos, montados en un eje, yalojados
en una cubierta en forma de espiral, llamada
carcaza de uoluui (figura 10.1) La construccion .
es similar a la de una bomba centrifuga.
EI compresorcentrifugo se diferencia de los
otros tipos. de compresores de refr igeracion,
par la manera en que aquel aumenta la presion
del gas, Ya se ha visto que el compresor reciprocante, llamado equipo de desplazamiento
positive, simplemente disminuye el volurnen
del gas, aurnentando, por 10 tanto, su presion.
El compresor centrifugo se conoce como un
OBJETIVOS
El estudio de este capitulo perrnitira:
1. Identificar las partes principales y describir
la operacion de un compresor centrifugo.
2. Dibujar y explicar la pulsaci6n.
227
228 I Compresores y sistemas centrifugos
VOLUTA
OJO (EL GAS DE SUCCION
ENTRA AXIALMENTE EN
ESTE PUNTO)
/ ....____,.,.ALABES DEL IMPULSOR
CORTE AXIAL
Figura 10.1. Seccion radial que muestra el
flujo del gas a traves de un compresor centrlfugo (el diagrama es conceptual; la construecion real. es mas compleja).
equipo dinamico, 10 que significa que sus partes
moviles ejercen una fuerza continua sabre un flujo constante de gas, aumentando su energia.
Cuando el impulsor-gira, se atrae el gas refrigerante hacia la succi6n del cornpresor, EI'
gas entra axialmente a traves de una abertura
ubicada en el centro delimpulsor, A esta abertura se le llama ojQ~Losalabes del impulsor
en movirniento ejercen una fuerza centrifuga
sobre el gas, forzandolo hacia la periferia de
1a carcaza, y. alrededorvde la circunferencia
de la misma, hasta llegar a.la abertura de descarga. Tanto la presion como la velocidad del
gas aumentan Poor[a acciori lie 1a fuerza centrffuga, Explicado de.otra manera, se aurnentan dos formas de la energia del gas: la presi6n
estatjca y la energia cinetica (de velocidad). A
la energia de velocidad se le llama a veces presi6n de velocidad, El aumento en la energia de
velocidad se conv_ierteen un aumento adiciorial de la presion, al disminuir la velocidad del
gas. Esto se obtiene aumentando grac)ualmente
el tamario de la abertura de descarga en forma
de voluta, y Hamada difusor. Aproximadamente
la mitad del aumento de la presion total proviene de la conversi6n de la energia cinetica
en presion.
.
Debido a que el espacio libre entre el impulsor y la cubierta es muy reducido-Ja fricci6n
5610 tiene irnportancia .en los cojinetes, y es
posible lograr velocidad'es de rotacion muy
altas; luego, el compresor centrifu go es inhe.
renternente, una maquina voluminosa y pesada. Lascapacidades varian de 100 a 10000 tone- .
ladas de refrigeraci6n (a ternperaturas adecuadas para el aire acondicionado). En los sistemas
de menor capacidad (hasta 2000 toneladasj
se u tilizan, por 10 general, compresores herrneticos, y los compresores abiertos se utilizan en
los sistemas de mayor capacidad.
No resulta practice fabricar compresores
centrifugos con capacidades menores de 100
toneladas. Los impulsores resultan de un diametro tan pequefio, que las perdidas por fricci6n del compresor constituyen gran parte de
la demanda de potencia, haciendo que la eficiencia sea muy baja, y por 10 tanto, inacepra.
ble.La capacidad maxima esta limitada por el
mayor diametro de los impulsores cuya construcci6n sea practica, considerando los requisitos de resistencia estructural,
10.2 Etapas de impulsor
La presion (Hamada corminrnente carga) quese
puede alcanzar con un solo impulsor (llamado
de etapa simple) esta limitada por varios factores.
El aumento de la presi6n es una fund6n de la
velocidad del 'gas-Ia que a su vez depende de
la velocidad periferica del irnpulsor. Cuando se
manejan velocidades perifericas muy elevadas,
es necesario utilizar impulsores muy robustos,
hasta un cierto limite practice. Otro factor, a
considerar, es 'el efecto del acercamiento
la
velocidad del sonido. A medida que la velocidad del gas se acerca a la velocidad del sonido,
pueden tener lugar ondas de cheque junto con
la separacion del gas de los alabes del irnpulsor (esto es similar a 10 que ocurre cando una
aeronave se aeerea a la veloeidad del soriido),
Esto produce una turbulencia muy fuerte.junto con perdidas poi friccion, 10 cual aumenta
la demanda de potencia de una manera que resulta inaceptable.
Cuando las condiciones requieren un mayor
aumento de presion de 10 que resulta practice
a
Objetivos I 229
i
(a)
t
Figura 10.2. Diferentes arreglos posibles de los
impulsores de un compresor de dos etapas. Las
fuerzas opuestas tienden a equilibrarse mutua-
con un solo impulsor, es posible instalar dos
o mas impulsores de manera que la descarga del
impulsor de la primera etapa, alimente ala suecion del impulsor de la segunda etapa. Se obtiene
asi un mayor atimento de 1<1
presion total. En el
caso de los cornpresores para refrigeracion a muy
bajas ternperaturas, es posible utilizar hasta 10
etapas. La figura 10.2 muestra algunos posibles
arreglos de los impulsores para un compresor
de dos eta pas. Con el fin de disminuir el consumo de energia, a menu do se utilizan dos etapas
de impuIsores aun cuando no sean necesarios pa·
ra obtener la presion requerida, como se explicara en la siguiente seccion,
10.3 EI cicIo termodinamico y el
sistema
EI sistema del cornpresor centrifuge opera con
el mismo sistema y cielo de la refrigeracion por
compresi6n de vapor,. el cual se describe en el
capitulo 4. EI sistema consiste de un com presor, condensador, dispositivo de control de flujo y evaporador (figura 10.3). El evaporador es
del tipo inundado para enfriar liquidos, y el
condensador es enfriado por agua. El dispositivo de control de flujo puede ser, 0 bien una
valvula de flotador, 0 un orificio.
t
(b)
(c)
t
.
,\
mente en los arreglos a) y c), reduciend6 el empuje sobre los cojinetes
Agua del
condensador
Conclensador
orlflclo ,
o
valvula' de
flotador '"-..,.-...1
. ,~.as .
de descarga
refrigerante
liquido
Agua
helada
-:---E-""t===::::.J
Evaporador
Figura 10_3. Sistema centrifugo de compresi6n;
componentes e instalaci6n basicos.
EI cielo de un compresor de una sola etapa,
es como se muestra en el diagrama p - h de la fi. gura IDA. EI refrigerante sale' del evaporador
como un vapor saturado (3), y no sobrecalentado como sucede generalmente en los evapora··
.,.
'.
:.:
230 / Compresores y sistemas centrifugos
Condensador
1-------....
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c:
Condensador
Camara del
economizador
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4
'0
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Evaporador
Entalpia, h .
.::=:::_--
Compresor
centrifugo
de dos etapa
Figura 10.4. Diagrama p-h de un cicIo basico de
cornpreslon de vapor, en un sistema de compresion centrffuqa.
Evaporatlor
dores de expansion directa y los com pres ores
reciprocantes. EI refrigerante liquido se suben•fria a veces en el condensador (1 y 1').
El ciclo ecoturmizador. EI rendimiento del sistema
se puede mejorar de una manera significativa
cuando se utilizan dos 0 mas etapas de compre·
sion, comparado con el caso en que se utiliza una
sola etapa. Recuerdese que en el sistema de,cornpresion de vapor, elliquido refrigerante se enfriaa medida que se expansiona a traves del
dispositivo de control de flujo, por la evapora·
cion de una pequeiia parte del refrigerante (el
gas de vaporizacion subita), Este gas fluye a traves del evaporador, y se comprime junto .con el
refrigerante evaporado.
'"
Con un compresor de dos etapas, es posible
llevar a cabo el proceso de expansion en dos
pasos sucesivos. El sistema se inuestra en la
figura 10.5. Se instala una carnara econornizadora entre el condensador y el evaporador. EI
refrigerante lfquido, procedente del con densador, entra a la primera seccion de la camara. El Iiquido se expansiona a traves de un
dispositive de control de flujo, hacia la segunda
seccion de la camara. Esta seccion se mantiene
a una presion intermedia (1a presion de suecion en la segunda etapa del compresor) debido a que esta eoneetada mediante una tuberia
Figura 10.5. Disposici6n de un ciclo economizador que utiliza un compresor centrifugo
de dos etapas y una ~amara economizadora.
.;
.
a dicha parte del sistema. La parte del refrigerante que se evapora subitamente a esta presion, convirtiendose en un gas, pasa ala succion
de Ia etapa alta del compresor, en don de se
com prime hasta alcanzar laopresion de condensacion. EI liquido en la segunda seccion, que
se halla ahora a una presion y temperatura in:
termedias, se expansiona a traves.de un dispositivo de control de flujo del lado de bajahasta
llegar a la presion y temperatura del evapora·
dor; luego pasa a traves del evaporador hasta el
compresor de la etapa de baja..
..
.
EI cicIo terrnodinamico, llamado el cicIo
economizador, se muestra en el diagrama p .
h de 1a figura 10.6. El cicIo 1·2·3·4 constituye
la compresion de la etapa de alta, y el cicio
5·6·7·8es la compresion de la etapa de baja. En
.cad a parte del sistema tienen lugar diferentes
flujos rnasicos, de manera que esto debe tornarse en cuenta si se lleva a cabo un analisis del
cicIo. Sin embargo, resulta obvio que no todo el
refrigerante se comprime desde la presion de
evaporacion hasta la presion de condensaci6n
como ocurrir ia en una maquina de una sole
Objetivos I 231
Entalpia, Ir
Figura 10.6. Diagrama p-h de un cicla ecanornizador.
etapa, El gas de vaporizacion siibita de la etapa intermedia se comprime solamente desde
la presion intermedia hasta la presi6n de condensacion, Esto reduce la demand a total de
potencia del compresor hasta un 10 por ciento dentro d~ la gama del aire acondicionado,
y todavia mas a ternperaturas mas bajas. Se
puede usaf un arreglo de economizador de
mas de una etapa, si bay mas de. dos etapas
de compresi6n.
10.4 .Caracterfsticas del"
.
..
funcionamiento del compresor
centrffugoe estrangulamiento y
fhrctuacion.
.' ,
La capacidad (flujo) de un compresor centrifugo
varia considerablemente con 14 presion (de.des-
carga)que produce. Esto es,se trata de una maquina de desplazamiento variable.Esto resultamuy
diferente del funcionamiento de .un com presor reciprocante.iel cual es, esencialmente, una
maquina de desplazamientoconstante. Aparte
del efecto relativamente poco irnportante, del
volumeride tolerancia, el campresor reciprocante entrega (a una velocidad dada) un flujo
volumetrico constante no importa cual sea la
presion.
Esta caracteristica de desplazamiento variable de los cOIQ.presores centrifuges, los hace
1.
ideales para operar a condiciones variables de
carga parcial, as! como para conservar la e n ergia, 10 cual constituye un tema que se tTatara
mas adelante.
Para explicar :algunas caracter isti cas del
comportamiento, que son importantes en la seleccion y operaci6n de los compresores cen ti ifugos, se puede usar la curva caracter ist ica de
funcionamento, la cual muestra como el flujo
volumetrico entregado varia con la presi6n de
descarga. En la figura 10.7 se muestra una curva tipica de funcionamiento para una velocidad dada.
A primera vista puede parecer que un cornpresoT se debe seleccionar para que opere cerca de su capacidad maxima de flujo, como
en el punto A, de manera que sea posible utilizar un compresor de menor capacidad para
.el flujo requerido. Sin embargo, esto !1o es
conveniente. ~ flujos elevados, la veJocidad se
acerca a la velocidad del sonido, aumentando
las perdidas por la presi6n interna, y que .resulta en la curva de acentuada inclinaciori, pro·
ducida por la abrupta caida de la presion de
descarga, como se muestra en la figura. A este
efecto se le Ilarna flujo de estrangulamiento. La
eficiericia del compresor disminuye considerablernente en esta situaci6n, por 10 que se
debe evitar hacer la selecci6n dentro de estos
limites,
"
El punto B corresponde a una tipica condici6n conveniente de operaci6n. Se puede decir que la presi6n de descarga producida por
el compresor (B), equivale nada mas que a la
presi6n de· descarga requerida, la cual es u n.
resultado de las perdidas de presi6n debidas
ala friccion en el sistema. Sup6ngase, sin ernbargo; que la presion requerida en la descarga
del sistema disminuye ligeramente, hasta B'. El
compresor aumenta su flujo a B'. Este aumento
en el flujo causa una mayor perdida de presi6n
por fricci6n en el sistema, y el funcionamiento
del compresor retorna a su posicion de equil ibrio B. La operacion del compresor es estable
con carnbios razonables en la presion 0 flujo,
alrededor de B.
232"' Cornpresores
y sistemas centrifugos
...c.-C (punlo inestable)
A (flujo estrangulado)
-r,
:
Gaslo
Figura 10.1. Curva caracteristica de funclonamiento de un compresor centnfuqn, que muestra
la condicion de operaci6n estable, la pulsacion
y el flujo de estrangulamiento.
Sin embargo, se presenta una situacion diferente si la operaci6n del compresor tiene lugar en el punto C, a la izquierda del pico de
la curva de funcionamento. Supongase que
existe una ligera disrninucion en la presion reo
querida del sistema; el compres or operara entonees en C', suministrando menos flujo. Para
este flujo reducido, la friccion del sistema y la
presion requeridas disminuyen todavia mas,
hasta que, rnomentaneamente, el compresor
queda sin gas, y no suministra flujo alguno en
el punto D. E1gas a alta presion dentro del eondensador, fluye en sentido inverso a traves del
compresor. Este tiene suficiente gas para bornbear, y ernpezara ahora a descargarlo subitamente a un flujo elevado, por ejemplo en el
punto B'. Pero esto hace que aumente la per'
dida de presion del sistema, par ejernplo hasta C, y Ia operacion del compresor vuelve de
nuevo a C. La operacion, ahora, se desplaza alterna:tivamente entre B' y C, Yel refrigerante
oscila altenativamente a traves del cornpresor.
Este fenorneno se conoce como pulsaci6n. El
fenorneno se presenta acornpafiado de un so:
nido pulsatil, el "cual par 10 cormin es mas
moles to que peligroso. No obstante, si no ~~
corrigeestasituacion, puede tener lugar el reo
calentamiento del refrigerante, 10 cual. puede.
asimismo producir el recalentarniento de los
cojinetes.
10.5 Control de la capacidad
Normalmente, el compresor no se seleccionaria para condiciones de disefio correspondientes a una capacidad a la izquierda del pica'
de la curva, de modo que no tuviera lugar
la pulsacion, Sin embargo, la capacidad del
compresor se debe disminuir, a fin de manejar cargas reducidas de enfriamiento. EI control de la eapaeidad se lleva a cabo de tres
maneras diferentes: mediante la compuerta de
succi6n, el control de la velocidad y los alabes
direetores ajustables de entrada.
Objetivos I 233
La cornpuerta de succion es una simple val,
vula de mariposa, de una sola pieza, instalada
en la linea de succion, la eual gira para restringir el flujo (figura 10,8). Cuando, al restringir
el flujo, haee que este retorne a 10 largo de la
curva de funcionamiento del compresor,la accion llegara finalmente a la region de oscilacion
inestable. Esto tiene lugar cerca del 40 al 50
par ciento de la carga total. Es por esta razon
y debido a que la reduccion de la demanda de
potencia no es tan grande como sucede con los
otros rnetodos de control de la capacidad, que
el control mediante la compuerta se succion es
inconveniente. Sin embargo, su costa inicial
es bajo.
EI control de la velocidad constituye otro
metoda para variar la capacidad del compre·
sor centrffugo. Si es una turbina de vapor 10
que mueve al compresor, resulta facil controlar la velocidad, mediante la reduccion del flujo de vapor a.la nirbina. Las caracteristicas de
ahorro de energia son excelentes. A 50 par
ciento de la capacidad, se necesita alrededor
de un 40 par ciento de la demanda de potencia a plena carga. No obstante, la carga mini. -:-,
Figura 10.8. Compuerta de succion del tipo de
mariposa para controlar la capacidad de un compresor centrffugo (Ia cantldad de flujo).
.
,
ma se Iirnita de un 40 a 50 por ciento, a fin de
asegurar una operacion estable por encirna del
punta de pulsaci6n. Si 10 que mueve al compresor es un motor electrico, este puede ser del
tipo de rotor devanado y velocidad variable.
Sin embargo, estos motores no se usan Con frecuencia, debido a su elevado costa.
.
El desarrollo de los controles de estado solido ha llevado ala producci6n de un dispositivo
de control de la velocidad, que es relativamente
simple y de bajo costo. Los compresores centrifugos herrneticos estan equipados can estos
dispositivos de control de velocidad.
Tanto en el metoda de la compuerta de suecion como en el de control de ]a velocidad es
necesario desviar el gas caliente, a fin de reducir la capacidad a menos de aproximadamente un 50 par ciento. No tiene lugar, par
abajo de este punta, ninguna reduccion adicional de la potencia. En la figura 10_9 se rnuestran las curvas tipicas de potencia contra
capacidad,
Un metodo e:xcelente para variar la capacidad del compresor utiliza iilabes directores de entrada llamados tambien dlabes de prerrotaci6n
(figura 10.10). A la entrada de la succion del
compresor se in,sta1cr.;.i.ma
cornpuerta construi
da can alab~~';'en fbfina de curia, distribuidos
simetrie~ili~hte.
0 0
0' 0
0 000
-.
Las 's.e~o¢ibke;sgh:~o~'sobre o~~Y~l~{tongitudi.
nal, c~-tr~ild~X
6 abH2ildo el areo[di#~9hjble de
entrada, ~rfijnde variar el flujo del 'g~s'refrigeI'~rite;:_,;(L,:'
0
0'
0,'
':'lY ,':0
Aq~tnil{:'~oe
Hniit~r. el fiujo, Ids alabes director~s~ainbi~n la dir~c,cion doelgas,segU~sea su
posicion. Es~o repr~s~4,tao,olul'}ocara'c~e.~istica
muy converiiente. Eirgte°tiha dhec<:i6Ifoptima
can );1 cual el 'gas debe entrar a los alabes del
impulsor del compresor, para as] redueir al rninimo la demanda de potencia. Esta direccion
requerida cambia segun cambia el flujo. Cuando los alabes directores de entrada giran en la
direccion del punto de cierre, cambian tambien la direccion del gas, de manera que este
entra can el angulo mas eficiente. Esta caracteristica, a la que se Ie llama prerrotaci6n 0 pre·
234 1 Compresores
y sistemas centrifugos
100r-----------------------------------------------~
0
C
w
'0
(5
c.
cJi
<11'
"0'
f!!
',.
60
C'
m
m
"0
"'
'u
C
50
Ql
a
a.
40
Control de la velocidad (turbina)
30
20
10
20
30
40
50:
60
70
80
90
100
Carga de refrigeraci6n, per ciento
,',""
.r
Figura 10.10. Alabes directores de entrada utilizados para controlar fa capacidad del cornpresor
centrifugo. (The Trane Co., La Crosse, WI).
Figura 10.9. Patencia con-'
tra capacldad de los corn-.
presorescentrifugos.Corn-.
paraeion de losmetocos de
control.
-:.
r ,
rremolino, da por resultado una reduccion
constante de la potencia, como se ve en la figura 10.9.
,.:
El metodo de' control' d~'l~,<:apacidad, mediante los alabes directores de prerrotacion,
posee otras carici:e':ris:~~,~as,
convenientes de
ahorro de la energ,~~\X,~?S~P.:
i;?a por resultado
un cambio en el perfil'J!e hi' curva de funcionamiento depresion. co'riira flujo del compre·
sor, de manera 'que! Ia capacidad se pueda
reducir hasta aproxirnadamente 10 por ciento de la ca:rga total, antek de que pueda ocurrir la pulsacion. De esta mariera, la demanda
de potencia disminuye en forma continua, a
diferencia del cas() del desvio del gas caliente.
Durante el arran que, los alabes directores
normalmente se mantienen cerrados, de rnanera que el compresor no tiene gas que comprimir, y arranca sin carga. ESlO reduce la
demanda de potencia durante el arranque. Lo
"
.':
Objetivo 5 I 235
mas importante
de esta condicion no estriba
en el consumo de energla (ya que el periodo
" .
de tiempo es corto), sino en otros efectos. Si
el compresor arranca can carga, el motor con-
sume una cantidad considerable de corriente ,
(de cuatro a cinco veces el valor normal). Esto
puede sobrecalentar el embobinado del motor
y dariarlo.Adernas, las cornpafiias de surninistro publico cobran una tarifa muy alta par la
demanda maxima de corriente, aun par un
corto periodo de tiernpo.
10.6 Maquinas centrifugas de
refr'igeracidn
Practicamente todos los sistemas centriTugos
de refrigeracion se utilizan para enfriar liquidos, y la gran mayoria de ellos se emplean en
• los enfriadores de agua para el aire acondicionado. EI terrnino enfriador centrifugo de agua se
utiliza para referirse al equipo completo, el
eual consiste de un compresor, evaporador para enfriar el agua, condensador, tuber ia de interconexi6n, eon troles y accesorios ..
Los enfriadores centrifugos de ag1la se fabrican tanto en un arreglo de compresor hermetico, como en .uno de cpmpresor abierto. En
eI caso de.capacidades que varian, aproximadarnente, de 100 a 2000 toneladas, los equipos
Canal de retorno
Sello laberfntico
Figura 10.12. Un enfriador de agua centrffuqo her-'
matico. Observsse que el compresor, condensador.: evaporador, conexiones y' controles estan
todos ensamblados. (cortesia de:.Garrier Corp.,
subsidiaria de United Technologies Corp.)
, -herrneticos han sustituido PQr completo en el
mercado a los equipos de tipo abierto, debido
a su costo, facilidad de instalaci6n y tamafio
cornpacto. La figuralO.ll muestra un compresor hermetico, y la figura 10.12 muestra un enfriador herrnetico. Esta discusion se refer ira a
los equipos herrneticos.
En ,algunos equipos hermeticos, un motor
de dos polos acciona directamente al compresor a una veIocidad de aproximadamente 3550
Difusor
sin alabes Voluta de
descarga
de
balanceo
1I
1
.:J:.
Figura 10.11. Vista en
secci6n (tom ada
axialmente) de un
cornpresor centrifugo de
refrigeraci6n, herrnetico
de una sola etapa.
(Reproducidon con
permlso de Equipment
AsHRAE Handbook and
Product Directory del ana
1979).
236 I Compresores y sistemas centrifugos
':",:
',.
::;
.. ;:
rpm, con corriente a 60Hz. Algunos equipos
tie nen engranajes para aumentar la velocidad
del eompresor, y asf poder utilizar impulsores
de menor tamano. En los equipos herrneticos,
generalmente se utilizan alabes directores ajustables de entrada, pa~a controlar su eapacidad.
Los evaporadoresson del tipo de enfriador
inundado, en los cuales el refrigerante fluye
a traves del casco, y.el agua que se debe enfriar
fluyea traves de lostubos (figpra 10:13). El reo
frigerante liquido eritra por el fondo, y el vapor sale por la parte. superior. Para impedir
que pequefias gotas de liquido entren al cornpresor, se utilizan elirninadores. Estos eliminadores estan constituidos por desviadores de
multiples 'curvas..o mallas de alambre instalados encima del haz de tubos, y reeogen cualquier liquido arrastrado por el vapor. A veces
se instala asimismo una plaea perforada, a traves del espacio, con el fin de asegurar una evaporacion uniforme en todas partes.
.
. Las disposiciones en el lado del agua generalmente son de uno a cuatro pasos, utilizando
divisiones de desviacion en la caja de agua. Si
se aumenta el mirnero de pasos se mejora la
transferencia de calor, pero se aumenta asimisrno la caida de la presion-del agua. Las eajas
de agua de los extremos estan'atornilladas, con
el fin de que. se' puedan remover cuando sea
necesario. Seperrnite asi, el acceso a los tubas,
los euales pueden limpiarse interiormente. El
casco, las cajas de agua, y las placas que sostie-
nen a los tubos, se fabrican de materi ales [errosos (acero 0 hierro colado), y los tubos son
de cobre.
Par 10 general, los condensadores son del tipo
enfriado por agua, con una construccion de
casco y tubos semejante a la del evaporador.
El gas caliente entra par la parte superior, y
el liquido condensado sale por la parte iriferior. En 10 que respecta a los materiales, la
construccion de las cajas de agua rernovibles
y el numero de pasos de agua disponibles, el
eondensador es similar al evaporador, a menos que el agua de eondensaci6n sea corrosiva.
. .~:
En el casa de enfriadores herrneticos mas
pequefios, algunos fabricantes combinan el
evaporador y el condensador en un solo casco, para asi reducir los costos de fabricacion
y hacer mas compacta la unidad, Otros fabricantes utilizan impulsores de dos etapas en todos los taman os;· can transmision directa a
3550'rpm: Todavia otros, utilizan una transmi·.
sion con engranajes para aumentarla velocidad, can una etapa de cornpresion para las
unidades de menor tamafio, y dos etapas para
los equipos mayores,
Cuando el refrigeranteentra a la succion del
compresor, ejerce una considerable fuerza axial
sabre los impulsores, Esto puede reducirel uso
de cojinetes especiales en el extremo del eje, a
fin de absorber la fuerza de empuje. En el caso
de los eorripres?res de dos etapas, es posible
Gas refrigerante
Haz de tubas
Figura 10.13. Secclon
transversal de
enfriador
inundado, utilizado en un
sistema centrifugo de refriqeracion, (The Trane Co.,
La Crosse, WI.) .
.
un
:
Objerivo s I 237
instalar los impulsores y la tuberia, de manera
que el gas fluya en direcciones opuestas hacia la
succi6n de cada irnpulsor, equilibrando as! las
dos fuerzas de empuje, como se muestra en
la figura 10.2 (a) y (c). Con esta disposicion no
es necesario emplear cojinetes especiales de'
empuje, cuyo costo es elevado.
EI dispositivo de control de flujo es por
10 corrnin, una valvula de flotador, 0 simplemente un orificio. En algunos modelos, el motor
herrnetico es enfriado por eI refrigerante: en
otros, es enfriado por agua. Los con troles y los
manornetros de medicion se suministran montados en un tablero, ensamblados y alambrados
segtin sea necesario. El equipo completo puede ensamblarse como una sola unidad integracia en los tamafios menores, 0 COP el compresor
pqr separado en los tamaiios mayores. La unidad se monta sobre tacones de hule, aisladores, de Ia vibracion,
, La. construccion del enfriador centrifugo
abierto es similar a la del' enfriador hermetico, que. se acaba de describir. Por 10 general,
el compresor funciona ~ velocidadesmayores
de .:}600rpm, ya sea mediante engranajes que
aurnentan la velocidad, en, el caso, que se utilice un motor, 0 bien directarnente, utilizando
una turbina d~ vapor. ,
.
10.7 Luhricacion
Las unicas piezas que requieren lubricacion
en las maquinas eentrifugas son los coj jnetes
y los engranajes; en el caso de que se utilicen
estos ultimos. EI impulsor no toea a la carcaza, de manera que ahi no se requiere lubrieacion. Adernas de los cojinetes conveneionales
del eje, los cuales soportan el peso, se utilizan
cojinetes de empuje. Estos son cojinetes terrninales que resisten la fuerza que ejeree el gas
refrigerante, cuando este entra axialmente.
EI sistema de lubricaci6n consiste de una
bomba de aceite, sistema de tuberias, filtro
de aceite y enfriador de aceite enfriado por
agua, para mantener el aceite a.la temperatura
adecuada (figura 10.14). Se suministra trn calentador electrico de aceite, a fin de reducir
la cantidad de refrigerante disuelto en el aceite,
cuando se para el equipo. De otra manera, el.
refrigerante se separaria de la solucion durante
el arranque, produciendo una mezcla de refrigerante y.aceite en forma de espuma, 10 que
podria interferir con el fIujo de la bomba de
aceite.
: Una valvula de alivio permite reducir el exceso de presion de aceite producido por la bornba. Un control de seguridad de la presion del
SALIDA DE
ACEITE DE LAS
VALVULA DE
REGULACIDN
CHUMACERAS
./
,---l:::::L...f§!I
CONTROL DE LA
PRESION
DELAGUA
ENFRIADOR ,......-l---(J
ACEITE
,'.
",
"
.:':./..
DEL ACEITE,
:,:.l-~'_\;:.. '· • p ..
';':"':'" "
Figura 10.14. Sistema de lubricacion de un
compresor utilizado en un enfriador centrifugo.,
.(The Trane Co., La Crosse, WI.)
I
.:i~: ~.
238 I Compresores y sistemas centrifugos
aceite, evita que arranque el compresor hasta que
no se haya desarrollado una presion adecuada.
Este con trol asimismo cletiene al compresor
cuando la presion del aceite baja demasiado.
10.8 Refrigerantes
Son varios los refrigerantes que se pueden
utilizar en los sistemas centrffugos. En los equipos de menor tarnafio se utilizan los refrigeran tes R·Il 0 Rvl l S, los cuales pose en un
volumen especifico alto. En este easo, se pueden utilizar irnpulsores de un tarnafio razonable (can un diarnetro ni .dernasiado grande ni
dernasiado pequefio). Debido a que las caracteristicas de presion y temperatura de saturacion del R-ll y del R-113 son tales que. las
presiones seran inferiores a 15 Ib/pulg2>manomet, y como el c6digo de la ASME requiere
recipientes de mas elevada resistencia si la pre·
sion es mayor que esta, se mantienen bajos los
costos de construcci6n. Ademas, no es necesaria la intervencion de ingenieros que posean
permiso para manejar equipos de alta presion,
En muchas localidades se exige al personal po·
seer este permiso para permitirsele hacerse
cargo de equipos que trabajan con.presiones
su per iores a 15 lb/pulg" manomet.
En las maquinas de mayor capacidad, se utilizan refrigerantes con un bajo volumen especifico, como el R-12, R-22 YR·l14. De esta manera
se necesitan tanto el compresor como las tuberias de gas de menor tamano, reduciendose asi
los costos iniciales y de instalacion. Asi mismo,
debido al menor peso del equipo, se reducen los
costos de las estructuras de soporte. Sin embargo, las presiones intern as son mas elevadas.
10.9 Purga
Cuando se utilizan elR,j I y otros refrigerantes de bajo volumen especifico, las presiories
del gas en el lade de baja se hallan muy par
debajo de la presion atmosferica. De aqui r(!~
sulta que es inevitable la entrada del aire y el
vapor de agua al sistema, a traves de las uniones.
El gas se aeumula en el condensador; elevando
fa presion de condensacion y reduciendo la capacidad del equipo. EI vapor de agua puede
combinarse con el refrigerantepara forrnar
acidos que pueden corroerlas piezas del equipo. Cuarrdo se utilizan refrigerantes como el
R·Il, se surninistra al equipo con un sistema
de purga.vpara remover el aire (los gases no
coridensablesjy el vapor de agua. La figura
10.15 muestra un tipo de purga del sistema. EI
CONDENSADOR
EVAPORADOR"
RETORNO DEL lioUIDO Al EVAPORAOOR
Figura 10.15. Sistema de
purga, utilizado en un enfrlador centrffugo. (Tile
Trane Co., La Crosse, WI.)
Objeti.vos I 239
aire y el vapor de agua que se acurnulan en el
sistema, se extraen mediante una conexi6n situada cerca de la parte superior del condensador. Es inevitable, asimismo, la rernocion de
una pequeria cantidad de refrigerante. Los gases pasan al compresor de purga, el cual eleva
la presion hasta un valor al cual se puede condensar el refrigerante. Luego, los gases fluyen
a un condensador enfriado por agua, en donde
se condensa el vapor de aguajunto con el vapor del refrigerante. El vapor de agua es mas
ligero y se acumula en la parte superior, de
donde se puede drenar y desechar. El refrigerante se drena y se retorna aJ compresor, y el
aire se extrae a traves de una valvula de purga.
10.10 Controles
·El control de la capacidad del compresor se
acciona, por locormin, mediante un sensor de
temperatura situado en lei linea de salida del
agua fria. La serial procedente del sensor regula Jos alabes directores de entrada para que
se cierren a abran, en respuesta al descenso 0
elevaci6n de la temperatura del agua fria.
Los controles de operacion y seguridad se
diserian y suministran para que operen como
un sistema interconectado de control, Un interruptor de posicion de los alabes impide que
el cornpresor arranque, a menos que esten ceo
rrados los alabes directores de entrada, de rnanera que el compresor arranque con una earga
minima, tornandoasi menos corrientesyreduciendo el cargo que hace la cornpafiia de suministro por la dernanda de energia.
La corrienteque consume el motor durante
Ja operacion, se limita asimismo a un valor controlado preestablecido, Un dispositivo lirnitadar de la corriente (llamado control limite de la
demanday detecta la corriente que se consume, y
si esta excede al valor establecido, se sobrepone
a la sefial de la temperatura del agua frfa, cerrando los alabes directores de entrada. Esto
impide cualquier sobrecarga del motor, y redu,ce el cargo por dernanda de energia. Este con'trol se puede reajustar durante las diferentes
epocas del afio. Por ejempIo, en el invierno,
se puede ajustar de tal manera que la demanda maxima de corriente sea del 60 por ciento
de la que se utiliza en el verano, basandose en
las cargas maximas supuestas.
Se suministran asimismo, controles de seguridad y dispositivos de entrelazamien to. Un
interrupter de alta presion instalado en el con densador, detiene.al compresor cuando existe una
presion excesiva en el condensador.
EI interrupter de baja temperatura del refrigerante detiene al cornpresor si la temperatura del
refrigerante en el evaporador disminuye por debajo de un punta de seguridad preestablecido.
El interrupter de baja presion del aceite impide
que e}. compresor arranque hasta.que la presi6n de la bomba de aceite.alcanza el punta requerido preestablecido. Adernas, detiene al
compresor cuando la presion del aceite disminuye par debajo del punto preestableci"do.
El releuador de retardo de tiempo de Lapresion
del aceite, permite que el compresorarranque
solamente despues de unos segundos de haber·
se establecido la .presion del aceite.
El programador de antirreciclaje impide
que el compresor vuelva a arrancar, hasta que
no haya pasado un mirnero predeterminado
de minutos despues de la parada ..
El interrupter de baja temperatura del agua [ria,
impide que arran que el compresor si la ternperatura se halla por debajo de un punto predeterminado.
Se proveen, par 10 cormin.dispositivos de
interconexion, de tal manera que el compresor no pueda arran car antes de que 10 hagan
otros componentes, tales como las bornbas de
agua fria, las bombas de condensacion y el ventilador de la torre de enfriamiento.
La mayoria de los con troles antes mencionados, si no todos, estan prealambrados y montados en un tablero de control, y todo e] sistema
opera au tornaticamente una vez que se arranca. El tablero contiene par 10 cormin, numerosas sefiales luminosas de aviso, y quiza de
alarmas, as! como los instrumentos medidores
de presion y temperatura.
240 I Compresores y sistemas centrifugos
10.11 Capacidad y seleccion
Los fabricantes presentan las capacidades de los
equipos de refrigeracion centrlfuga en forma tabular. Se ofrecen en forma integrada, combinaciones eficientes de compresor, evaporador, y
condensador. El disefiador elige la cornbinacion
que se ajusta a las neeesidades del proyecto. Se
deben tornar en consideracion los costas iniciales y de operacion cuando se presentan selecciones altern as.
En Ia.tabla 10.1 se muestran los datos de las
capacidades correspondientes a un grupo de enfriadores de agua centrifugos herrneticos. Estos
equipos se enumeran segiin su capacidad, de
menor a mayor. A fin de seleccionar la unidad
apropiada, es necesario poseer los datos siguientes:
.
1. Carga de refrigeracion,
2. Temperatura y flujo del agua fria que sale
del equipo.
3. Temperatura y flujo del agua de coridensacion que sale del consensador.
..
4.':Factores de incrustacion del evaporador y
del condensador.
5. Numero de pasos en el evaporador y el condensador ..
,'I
n
.j"
Los rendimientos que se muestran en la tabla 10.l son para.un evaporador y un con densador de dos pasos, con un flujo de agua fria de
2.4 GPM por tonelada (IOOF DT), un flujo del agua
de condensacion de 3 GPM por tonelada (10°F
D'T), Y un factor de incrustacion de 0.0005 hrpie-" .oF/Btu, tanto para el evaporador como
para· el condensador. Cuando sea necesario
utilizar la tabla para obtener otros factores de incrustacion, los ajustes se hacen como se indica
a continuacion: si el factor de incrustacion del
eondensador es de 0..001, se a81'egan 2.5°F a
la temperatura del agua· aIa salida del condensador. Si el factor de incrustacion del evaporador es de 0.00 I, se restan 2°F de la
temperatura del agua fria a la salida del evaporador.
Se cornprendera que las temperaturas "ajustadas" que se hallan mediante estos pro cedimientos, para ser utilizados en la tabla 10.1, son
solo para fines de seleccion. Las temperaturas
reales de disefio se mantienen como las ha seleccionado e] ingeniero.
EI rendimiento cambia si se utilizan evapo.
radores y condensadores distintos a los de dos
pasos, y si los flujos de agua son diferentes
de los especificados. Con elfin de. abreviar, no
se muestran las correeciones de rendimiento
para estas situaciones.
....
La caida de presion del agua a traves del eva.
porador y el condensador, aumenta a medida
que aurnenta el mimero de'!pasos, Esto ·tambien
interviene en la seleccion, ya que la potencia
de la bomba aumentara ..Sin embargo, la capacidad de refrigeracion aumenta con el mimero
de pasos en e] evaporador, aumentando asi el
CDR y reduciendo la p~t~ncia requerida por
el compresor. Se deben tomar en cuenta los
efectos relativos de. estes factores opuestos.ji
fin de determinar lao mejor seleccion, con .vista a la conservacion de fa energia.. .
.' ;.:
Al presente, debido.;al gran.inumero de
posibilidadesdisponibles, las selecciones reales
para obtener los mejores resultados, se efectuan a menudo mediante.programas de:compu.tadora. Esta es.otra de Ias razones por; las cuales
se presenta aqui una cantidad Jimit;:ida de datos de seleccion manual.. ..
Solo se muestra una seleccion [irnitada de
las capaeidades de los equipos centrifugos hermeticos disponibles, Cuando se,utilice la tabla
10. I, se deberan interpolar los valores ....
Un.ejernplo servira para ilustrar el procedimiento de seleccion.
'
.....
Ejemplo 10.1 Seleccionar un enfriadorde a~a,
centrifugo herrnetico para producir 450 toneladas de refrigeracion. El agua se enfria de
54 a 44°F: La elevacion de la temperatura del
agua de coridensacion es de 85 a 95°F. Los
factores de incrustacion .son de 0.0005 en
el evaporador, y de 0.001 en .el condensador.
Objetivos
I 2'11
Tabla 10.1 Capacidades de un grupo de enfriadores de agua herrneticos centnluqos"
Compresor 020
Evaporador 20
Condensador 20
40
l!!u.
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Compresor 050
Evaporador 20
Condensador 20
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Temperaturadel agua a la salida
de condensador, of
90
95
100
198
140
205
140
213
140
221
140
229
140
233
140
186
140
193
140
200
140
210
140
217
140
225
140
174
140
1BO
140
187
Compresor 125'
Evaporador 20
Condensador 20
40
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548
308
562
466
308
482
30B
500
308
437
30B
452
308
468
308"
484
308
502
:308
520'
308
574
308
S20
308
539
30B
553
308
95
1,180 1,123
813 813
1,220 1,161
813
813
1,260 1.200
813
813
1,292 1,235
813
813
1,335 1,277
813
813
1,379'1,320
813
813
44
46
KW
Toneladas
KW
Toneladas
48
50
KW
Compresor 080
Evaporador 20
Cotuiensedor20
Toneladas
40
KW
42
Toneladas
KW
Toneladas
44
KW,
46
Toneladas
KW
Toneladas
48
KW
Toneladas
100
1,072
813
1,108
813
50
KW
, Temperaturadel agua;a la salida
delcondensadoG OF
90
..EQu.
KW
Toneladas
Toneladas
'100
42
Tonelada
193
140
200
140
210
140
95
40
KW'
Temperaturadel agua a la salida
delcondensadoG OF
308
. 50
Toneladas
140
90
Compresor 032
Evaporador 20
Condensador 20
Compresor 155
Evepotedor 81
Condensador 81L
Toneladas
KW
ToneJadas
40
42
KW
1.145 Toneladas
813 KW
1,184 Toneladas
813 KW
1,222 Toneladas
813 KW
1,263'Toneladas
813 KW
68610 con fines ilustrativos; no se debe utilizar para la selecci6n real.
The Trane Company, LEICrosse, WI.
44·
46
48
50
Temperatura del agua a la salida
del condensador, of
90
95
100
309
196
320
196
332
196
344
196
352
196
359
196
292
196
'302,
196
315
196
326
196
338
196
343
196
274
196
2B4
196
294
196
304
196
314
196
326
196
Toneladas
KViJ
Toneladas
KW
Toneladas
'r{W
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Temperatura del agua a te salida
del condensador, OF
90
95
7'82 747
498
498
B03
773
49B
498
831
800
498
498
828,'
861
498
498
890
857
498
498
913 '883
498
498
100
704
498
729
498
,755
498
782'
49a
809
498
838
498
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Tcneladas
KW
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Temperatura del agua a la salida
del condensador, OF
90
1,532
1,180
1,618
1,180
1,638
1,180
1,698
1,180
1,751
1,180
1,845
95
1,513
1,180
1,567
1,180
1,618
1,180
1,682
1,180
1,740
1,180
1,817
1,180 1,180
100
1,480
1,180
1,520
1,180
1,581
1,lBO
1,641
1,180
1,692
Toneladas
1,180
KW
KW
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Toneladas
KW
Toneladas
1,760 Toneladas
1,180 KW
242 I Compresores y sistemas centrifugos
Solucion al buscaren 1a tabla 10.1,para las ternperaturas especificadas correspondientes ala
salida del agua fria y del agua de condensacion,
se halla que la combinaci6n satisfactoria mas
pequeria entre los enfriadores enumerados
,es: cornpresor 055, evaporador 2D, condensador 2D (500 toneladas). Sin em bargo, la capacidad debe ajustarse para e1 factor de
incrustacion de 0.001 del condensador, como se describi6 previarnente.
La temperatura "ajustada" del agua a la salida del condensador es de 95 + 25 = 97.5OF.
Ahora se procede a interpolar la capacidad:
Capacidad
=
=
97.5-95
500- (500-468) X --484 toneladas
100-95
La capacidad corregida todavia es apro·
pi ada.
Se pirede asirnismo determinar el CDR del
enfriador
CDR
=
484
t
308 kW
X
3.52 kW
1t
=
5.5
Para obtener una posible seleccion mas eficiente en cuanto a la energia, mediante el cambio del flujo, las temperaturas 0 195 pasos, se
puede considerar Iautilizacion de una selecci611 optima por cornputadora.
10.12 Conservacion de la energia
Los metodos de conservacion de la energia,
aplicados a los enfriadores centrffugos, se han
constituido al presente en un aspecro espe·
cialmente importante. debido a la gran cantidad de potencia utilizada.
En resumen:
1. La cornpresion de etapas multiples, junto
con el cielo economizador, disminuye la
demanda de poreucia, com parada con la
utilizada en Ia compresion de una sola
etapa.
2. E1control de la capacidad, mediante los alabes directores ajustables de entrada, da par
3.
4.
5.
~.
resultado una sustancial reducci6n de 1a potencia, al reducirse la capacidad.
EI aumento del mirnero de pasos en los cam.
biadores de calor (el evaporador y el COn.
densador) reduce la demanda de potencia
del compresor. Sin embargo, es preciso establecer un equilibrio entre 1a reducci6n
de la potencia y en aumento en los costos de
bornbeo.
Los dispositivos que limitan 1a demanda de
potencia y que Iimitan a su vez la corriente
que toma el motor, hacen que se reduz.
ca el cargo que hace la cornpafiia de
suministro pOl' concepto de demanda d~
energia.
Los gases no condensables, que se acumuIan en el condensador, deben purgarse con
frecuencia.
'
Se puede obtener una optima reducci6n de
]a potencia.junto con una reduccion de 1a
capacidad, mediante el control de la velocidad. En el caso de los equipos abiertos, .',
se puede considerar Ia utilizaci6n de una
turbina de vapor, 0 hasta de un motor.
Cuando se trate de unidades herrneticas, se
puedeconsiderar la utilizacion de un motor de velocidad variable, mediante lin
inversor electronico de estado solido .:
10.13 Enfriamiento sin costo ',',
En los gran des edificios equipados ~o~ aire
acondicionado, a menudo se requiere el uso del
agua fria para el enfriamiento, aun te~iendose
_bajas temperaturas exteriores. Esto puede ser
el resultado de una alta radiacion solar y eleva.
das cargas de iluminaci6n. Cuando se utiIizan
enfriador'es de agua, centrifugos 0 reciprocantes, se puede disponer del "enfriamienro sin casto" (figura 10.6). Cuando existen bajas tempe.
raturas exteriores, es posible enfriar el agua
del condensador a una baja temperatura, en
la torre de enfriamiento. POT consiguiente, eI
refrigerante en el condensador se enfrfa, aSI-
Preguntas de repasQ I 243
Agua a la terre de
enlriamiento
.0
.-
Condensador
-
~
-
-
'-'<.-".A';
-~-+--- ....
...
-E--
Compresor
Circuito de enfriamienlo sin
coste (abierto en invierno,
cerrado en verano)
L __ .......
_- "-,,rY'W,,",I---...;--_..J
Circuilo de verano
(lemporada de calor)
Evaporador
. Agua helada
Figura 10.16. Disposicion de un clrcuito de enfriamiento "sin costa" para enfriar el agua en invierno, sin utilizar el compresor.
mismo, a una baja temperatura. Este refrigerante se puede entonees bombear 0 drenar al
evaporador, en don de enfriara el agua para el
aire aeondicionado. El refrigerante evaporado
retorna entonees al coridensador, cornpletando asi el cicIo.
La operaei6n de enfriamiento sin eosto produce aproximadamente, de un 10 a un 30 por
ciento de la capacidad total de diseiio de un
enfriador centrffugo. Esto resulta, por 10 cormin, adecuado para rnanejar la carga de enfriarniento en un dia frio. Se debe observar
que, a pesar de que se ahorra la energia para
operar el compresor, el sistema no suministra
un enfriamiento totalrnente sin costo. Es necesario mantener en operacion los ventiladores de la torre de enfriamiento, y puede ser
necesario utilizar una bomba para bombear el
refrigerante liquido desde el condensador hasta til evaporador.
PREGUNTAS DE REPASO
1. Deseribir y dibujar las piezas basicas de
un compresor centrifugo.
:.
N"
2. Explicar 1a manera en que un compresor
centrifugo aumenta Ia presion de un gas.
3. (Por que se utilizan los compresores centrifugos en los sistemas de refrigeraci6n
de gran capacidad?
4. (Que se entiende por etapas de irnpulsores y por que a menu do es necesario utilizarlas?
5. Explicar la disposici6n de un cicIo ecoriomizador; dibujar la distribuci6n del equipo, y el diagrama de p-h.
6. Con la ayuda de una curva caracteristica
de funcionamiento, explicar que es el flujo de estrangulamiento y la pulsaci6n en
un compresor centrifuge.
7. Enumerar y describir tres metodos utilizados para eambiar Ia capacidad de un
compresor centrifugo. Discutir sus ventajas y desventajas relativas.
8. Mencionar y describir los controles tfpicos utilizados en un enfriador centrifugo
de agua.
9. Enumerar algunos de los metodos utilizados para conservar el uso de la energia en
Ia seleccion, operaei6n 0 mantenimiento
de un enfriador cen trifugo de agua.
2'14 I Cornpresores y sistemas centrifugos
10. Describir y dibujar una disposicion de
"enfriamiento sin costa," utilizada con un
enfriador de agua.
PROBLEMAS
10.1 Seleccionar un enfriador de agua centrifugo herrnetico, que sea capaz de producir 420
toneladas de refrigeracion. EJ agua se enfria
de 52tlF a 42°F. El aglla de condensacion entra a 85°F y sale a 95°F. Los factores de
incrustacion son de 0.0005, tanto para el evaporador como para el condensador. Hallar el
CDR.
10.2 Hallar el efecto en el rendimiento
;,.
,
,.
, "
.'
del
enfriador seleccionado en el problema 10.1, si
el factor de incrustacion del condensador
es
de 0.001. Hallar el CDR,
10.3 Seleccionar un enfriador de agua cen.
trifugo herrnetico, que sea capaz de producir
700 toneladas de refrigeraci6n. EI agua se enfria de 60°F a 50°F. EI agua del coridensadoentra a 83°F y sale a 93°F. Los factores de incrustaci6n son de 0.0005, tanto para el evapo.rador como para el condensador. Hallar el
CDR.
lOA Hallar el efecto en el rendimiento del
enfriador seleccionado en el problema 10.3, si
el factor de incrustaci6n del evaporador es de
0.001. Hallar el CDR.
<: .
~.
capitulO!
1
,
EL SISTEMA DE TUBERIAS PARA EL
REFRIGERANTE
2. Explicar como se hace circular el ace ite a
En este capitulo se trata el sistema de tuberias
que conduce al refrigerante entre los diferentes
equipos del sistema de compresion de vapor.
Se trata el disefio, djsposicion y dimension ado
de las tuber ias, as! como los dispositivos auxiliares que se utilizan en el sistema de tuberias.
Por supuesto, los fabricantes se encargan
del diserio e, instalacion del sistema de tuber ias de los equipos integrados. Cuando el sistema de refrigeracion esta solo parcialmente
integrado, 0 cuando se trata de un sistema instalado totalmente en el campo, el ingeniero y
el contratista deben ser capaces de disefiar e
instalar las tuberias correctamente.
Los sistemas de tuberias aqui descritos, se aplican por 10 general a los refrigerantes halocarburos, tales como el R·12,R-22YR·502.Algunos.de
los sistemas se aplican a las instalaciones de amoniaco, pero otros no; de manera que ellector no
debe generalizar, a partir de la informacion pre·
sentada. Se haran notar algunas de las caracteristicas en que difieren los sitemas de amoniaco.
traves del sistema.
3. Explicar las aplicaciones de los separadores
de acei te, y como se deben instalar.
4. Proyectar y dimensionar las tuberias'del reo
frigerante.
5. Identificar los accesorios de los sistemas de
refrigeraci6n y su funcion.
11.1 Funciones del sistema de tuberias
Aparentemente cualquier tipo de tuberia
que sea capaz de conducir el refrigerantea traves
del sistema con flujo apropiado, puede resultar adecuado, pero esto dista mucho de ser
del todo cierto. Adernas de conducir el refrigerante, la tuber ia debe servir para otras
funciones. Si no es asi, el sistema no funcionara satisfactoriamente, y el equipo puede
dafiarse. Entre las funciones que debe.Ilevar
a cabo el sistema de tuberias, se encuentran
las siguientes:
1. Proveer el flujo adecuado de refrigerante.
2. Evitar una excesiva caida de presion.
3. Evitar la entrada al compresor de refrigerante liquido, asi como de pequenas porciones de acei teo
4. Proveer el retorno al carter del aceite lubricante.
OBJETIVOS
EI estudio de este capitulo perrnitira:
1. Distinguir las funciones de los sistemas de
tuber ias del refrigerante.
245
246 I Sistema de tuberias para el refrigerante
-s
.;.,
.
.:
EI tamario (diarnetro) de la tuberia debe ser
adecuado ala funcion, a fin de evitar la restriccion del flujo de refrigerante. Tampoco debe
tener una longitud innecesaria, ni cambios en
la direcci6n u otras restricciones que puedan
afectar adversamente el flujo.
EI diametro de Ia tuberia, su longitud y accesorios, no deben ocasionar una excesiva caida
de presi6n, ya que esta representa una perdida de energia. Las caidas de presion, tanto en la
linea de succion como en la linea de gas caliente, hacen necesario un aumento en la potencia
al compresor, como se muestra en el capitulo 4; por consiguiente, se deben mantener a un
minimo razonable. Un exceso en Ja caida de
presion en Ja linea del liquido, puede dar por
resultado la formaci6n del gas de vaporizacion
siibita, antes de !legar a la valvula de expansion.
Esta condici6n reducira la capacidad del sistema, J' causara asimismo un funcionamiento
erratico,
La disposicion del sistema de tuberias y sus
accesorios deben evitar la entrada al compre·
sor de refrigerante liquido 0 de pequefias porciones de aeeite, provenientes de las lineas de
succi6n y del gas caliente. Los liquidos pueden
dariar directamente a las piezas del compresor. Adernas, el refrigerante puede diluir el
aceite, de manera que la lubricaci6n resulte
deficiente.
,i.
El retorno del aceite. EI gas refrigerante, al salir
del compresor, barre el aceite de las paredes de
los cilindros, y lo.conduce continuamente al
sistema de tuberias. La distribucion del sistema
de tuber ias y sus accesorios, debe asegurar que
el aeeite que circula a traves del sistema, retorne al carter del compresor. Si no es asi, el carter
puede verse privado de un suministro adecuado
de aeeite, para la lubricacion del compreso:r.
A menudo, .el.aceite y los refrigerantes halocarburos se mezclan para formar un fluido
hornogeneo, en lugar de permaneeer separados. EI grado de miscibilidad depende de la
temperatura, presion, y de si el refrigerante se
halla en estado liquido 0 gaseoso.
EI aceite arrastrado pOTel gas refrigerante, a
traves de la linea de descarga del gas cali en te, se
halla en la forma de una neblina de pequefias
gotas, en gran parte separado del refrigeran.
teo En el condensador, el aceite se disuelve en
el refrigerante liqu ido para forrnar un liquido
hornogeneo, el' cual fluye entonces, a traves de
Ja linea del liquido. En el evaporador, el refr].
gerante hierve formando un gas, separandosdel aceite.
EI retorno del aeeite a traves de la linea del
Ifquido no eonstituye un problema, puesto que
el liquido que fluye es homogeneo, No obstante,
la coriduccion del aeeite a traves de las Iineas
de succion y de descarga, precis a del disefio de
tuberias especiales. Se puede confiar tanto en
los efectos de velocidad como en los de gravedad, para retornar eI aceite al cornpresor.
Bajo ciertas condiciones, en los sistemas que
utilizan halocarburos, el retorno del aceite no se
efecnia unicarnente mediante el uso apropiado de las tuberias. Esto es asimismo, cierto en
todos los sistemas de amoniaeo; puesto que el
aceite y el amoniaco no se mezclan, este ultimo
no arrastra al aceite de una manera adecuada.
En estos casos, se requiere un separador de
aceite.junto con tuberias adicionales de retorno. Esto se tratara mas adelante en este mismo
capitulo.
Otra informaci6n relacionada .con el problema de las mezc1as de refrigerante y aceite, y del
retorno de este ultimo, se discuten en los capitulos 5 y 9.
Los procedimientos para deterrninar e1 dia~
metro apropiado de la tuberia, a fin de asegurar
que se ajuste a las condiciones descritas se tratan mas adelante en este capitulo. Primero se
discutiran los procedimientos correcros a seguir
para llevar a cabo el proyeeto de cada linea.
11.2 Lfneas de gas caliente
La linea de gas caliente 0 de descarga conduce
el vapor refrigerante junto con pequenas gotas
de aceite, y se debe disefiar e instalar de tal manera que:
Objerivos I 247
zontales del gas caliente y de hl succion, <'1 fin
de asegurar una circulacion adecuuda en Ia direccion del flujo.
Pendiente
__,_
Compresor
El condensador y el compresor situ ados al mismo
niuel. La figura ll.~ muestra la disposi cio n reCondensador
Figura 11.1 Tuberia del gas caliente(el condensador
situado por debajo del compresor.
1. La caida de presion no sea excesiva. (Esto
se tratara mas adelante.)
2. El compresor este protegido contra la entrada del liquido procedente de Ja linea de
descarga.
3. EI aceite sea conducido al condensador.
•. El condensador sitzwdo por debajo del compresor. La
figura 11.1 muestra la disposicion recomendada
para la tuberia del gas caliente, si E;Icoridensador se halla a una altura menor .que la del
com pres or. La tuberia es directa, sin curvas innecesarias.
Se Ie debe. dar. una inclinacion
a la
.
, .
.
linea horizontal, en la direccion del flujo, para
impedir que el aceite drene nuevamente al
c01:npresqr, cuando este no se halle en operacion.
La inclinaci6n debe ser de 112pulgada por
cada 10 pies de longitud. Esta inclinaci6n recomendada, se aplica a todas las Iineas hori,;
~
r--------,
I
I
I
Compresor
I SHua~6n
I ailerna de
Pendiente
. (La seccion horizontal corta
capta el aceite cuando se
utlllza tuberia vertical)
I la tuberia
Condensador
Figura 11.2 Tuberia del gas caliente(el condensador
situado al mismo nivel que el cornpresor).
comendada para lettuheria del gas calien te, en
el caso de que el condensador se halle al mi smo
nivel que el compresor. La linea puecle es tar a
nivel horizontal,'con Itt inclinacion aprop iada,
() puede hacer un rodeo por la parte super-lor
para evitar atravesar el piso. En este caso, se
deja una corta seccion horizontal de tub e ria
a la salida del compresor. para atrapar la pequefia cantidad de aceite que podr ia drenar
del corto tubo vertical. durante las paradas. La
linea que hace el rodeo no debe tener una altura mayor de ocho pies.
.
ErCOl1densado~ situjido POTencima del' compresor.
. Las instalaciones en las que el condensador
esta situado por encirna del compresor, presentan un problema mas dificil, dependiendo las
soluciones de' varias condiciones.
Puesto que un tubo vertical constituira siernpre una parte esencial de la tuber ia, el aceite
drenara por estaseccion durante el periodo
de parada. Se deben tomar precauciones para
evitar que este aceite fluya de nuevo al cornpresor. £1 tuba vertical debe tener un diarrretro
apropiado, de tal manera que la velocidad del
gas sea 10 suficientemente alta para que ju nto
con el, se eleve el aceite.
En las !ineas horizon tales tarnbien deben
existir velocidades adecuadas para que circule
. el aceite. Las velocidades minimas requeridas
son menores en el caso de las lineas horizontales, puesto que no es necesario elevar el acei te
en contra de la graved ad. Las velocidades recomendadas para todas las lineas se discuti ran
al determinar el diarnetro de las tuberias. Todas las lineas horizon tales deben tener una inclinaci6n en la direcci6n del flujo, como se
indic6 previamente.
Si elcondensador esta ubicado en un lugar
donde su temperatura sea superior a la del
248 I Sistema de tuberias paf"3 el refrigerante
Pendiente
r.
8 pies
0
na del tuba vertical durante las paraclas (figura 11.3).
Condensador
menos
___,_
Pendiente
'Compresor
Figura ~1.3Tuberia del gas caliente(el condensador
situado por encima del compresor,a 8 pies 0 menos).
compresor durante las paradas, la presion mas
elevada del refrigerante en el condensador,
hace que el refrigerante circule hacia la linea
del gas caliente, para luego condensarse en la
cabeza del compresor. Esto puede perjudicar
al cornpresordurante el arranque: ¥l proble~a
se resuelve mediante la instalacion de unavalvula de retencion en la linea del g~s caliente,
a la entrada del condensador.
'
, Cua~do la alt~ra dei tubo vertical es de ocho
pies 0 men os, es conveniente instalar una seccion ,horizontal aI la salida .del compresor,
para
,
captar ia pequefia cantidad de aceite que dre-
Si el tubo vertical del gas caliente tiene una
longitud mayor de ocho pies, es preciso insta.
lar una trampa en la parte inferior del mismo
(figura 11.4). La trampa recoge el aceite que
drena del tuba vertical durante las paradas. La
forma de la trampa ayuda asirnismo a elevar el
aceite acumulado, cuando arranca el sistema.
EJ gas caliente tiende a descomponer el aceite
en pequeiias gotas, para ser barr ido cuarido el
gas caliente choca con el. La trampa debe ser
pequefia, de manera que no acumule demasiado aceite, y prive del mismo al corripr-esor
Es necesario instalar una segunda trampa en
el punto medio, si 1alongitud del tubo vertical
es de entre 25 y 50 pies (figura ] 1.5). Se debe
instalar una trampa por' cada 25 pies 0 fraccion de longitud adicional.
Compresores equipadoscon un control de capaddad
de descarga. Las recomendaciones anteriores
para los tubes verticales se aplican asimism:o
cuando el compresor opera de manera inter}
mirenterEn esta situacion, el flujo; y por consiguiente la'velocidad del gas caliente, son apTo~
xirnadamente constantes cuando elcompresor
esta 'en operacion, La linea del gas caliente tie-
"
t
Pendiente
~
{.r
j.t
f/)
·ro
E
Condensador
o
f/)
OJ
Condensador
'0..
De 6 a
U'l
C\I
25 pies
co
Pequeiia
trampa en U
Compresor
Figura 11.4 Tuberia del gas caliente(el condensador
situado de 8 a 25 pies par encima del compresor).
Compresor
Figura 11.5 Tuberia del gas caliente (el condensador
situado par encima del cornpresor, a una altura mayor de 25 pies; se requiere una trampa adicionaJ
para cada 25 pies).
Objetivos I 249
ne un diametro apropiado para irnpartir al gas
una velocidad suficiente para elevar el aceite.
Cuando el compresor esta equipado con accesorios de descarga, puede suceder que el flujo
reducido del gas caliente y la velocidad, a carga
parcial, no sean capaces de elevar el aceite en .
la seeci6n vertical.
Esta condicion se deterrnina cuando se calcuIan los diametros de las tuberias. Mas adelante
se presentara un ejemplo. Si en condiciones de
carga baja, la velocidad del gas no es adecuada,
la solucion puede ser utilizar doble tubo vertical, 0 un separador de aceite.
. ;
Doble tuba vertical. En la figura 11:6 se muestra la disposicion con doble tubo vertical para
el gas caliente. EI tubo vertical de menor diametro (el mas cercano al compresor) tiene una
dimension apropiada para manejar el flujo menor del gas a earga minima. El tubo vertical rna-yor tiene eI diarnetro suficiente para menejar
el resto del gas a plena carga, contando ambos
can una suficiente velocidad de gas: .
A plena carga, el gas fluye a traves de ambos
tubos verticales, a una velocidad suficiente para
hacer circular el aceite. Cuando disminuye la
capacidad del cornpresor, la velocidad reducida resultara insuficiente para elevar el aceite, y
por consiguiente drena de nuevo a traves de
ambos tubos, y llena la trampa situada en la
parte inferior del tubo vertical mayor. Queda
asi bloqueado dicho tubo, y todo el flujo de gas
se desvia al tuba vertical me nor, que tiene el
diametro necesario para proveer una velocidad adecuacla del gas al flujo de capaciclacl
minima.
Cuando aumenta la capacidad, la velocidad
mas elevada producida pot un mayor tlujo de
gas, obliga al aceite a salir de la trampa, y ambos tubos verticales operan de nuevo con suficiente velocidad .
. Se observara que el tubo vertical mayor,
esta conectado a la seccion horizontal de la
tuber ia que lleva aI conderisador mediante
una trampa invertida, en lugar de estar conectado directamente
a la parte inferior de
la linea horizontal. Esto impide que el aceite
drene por el tubo mayor, cuando s610 este activo el tubo men or. La continua acumuJaci6n
del aceite en el tubo vertical mayor a carga
parcial, puede privar de aceite al carter del
coinpresor, ocasioriandose una lubricacion
inadecuada,
Separador de aceite. Si no es posible mantener
una velocidad aclecuada del gas en el tubo vertical unico del gas caliente, otra solucion para
rernediar esto consiste en instalar un separador
de aceite en' la linea de descarga (figura 11.7).
EI separador de aceite atrapa y separa el aceite
que precede.junto con el gas caliente, del compresoT. EI separador de aceite debe instalarse
en la base del tubo vertical unico, de manera
Pendiente
Tuba vertical
del gas
caliente
--?!-
Tuba vertical
de menor
tamalia
Tuba vertical
de mayor
tamalio
Separadar de
aceite
~
Pendiente
Campresor
Linea de
retorno del aceite
Compresor
Figura 11.6 Tubo vertical doble parael gas caliente,
Figura 11.71nstalacion del separador de aceite en
el tuba vertical de gas caliente.'
250 I Sistema de tuberfas para el refrigerante
que durante las paradas recoja la pequefra cantidad de aceite que no haya sido captada,
EI aceite se retorna desde una conexi6n hecha entre el separador y la succi6n del compresor. Si el separador se halla expuesto a una
temperatura mas baja que la del condensador,
el refrigerante puede trasladarse a] separador
durante las paradas, y diluir asi el aceite lubricante. En esta situaci6n, puede ser necesario
instalar una valvula de solenoide en el condensador, para aislarlo del separador.
Por 10 general. para controlar la circulaci6n
del aceite en los sistemas que utilizan halocarburos, el sistema de doble tuberia vertical para
el gas caliente se utiliza con mayor frecuencia
que el separador de acei teoLos separadores de
aceite se trataran mas adelante.
11.3 Lineas de succi6n
: .
EI refrigerante liquido y el aceite se encuentran
mezc1ados cuando entran al evaporador, pero
cuando el refrigerante hierve, se separap el
vapor y el aceite, y este ultimo debe ser llevado
al compresor, ya sea por la velocidad del ga~ 0
por gravedad_ EI diseiio de la linea de succion
es similar al de las lineas de gas caliente. Esto
es, la tuberia debe asegurar el retorno del aceite
al carter del compresor, debe impedir la entrada del refrigerante liquido 0 de pequenas
porciones de aceite a la succion delcompresor,
y debe tener el diametro apropiado para que
la caida de presion no sea excesiva. EI diseiio
de la linea de succion es mas decisivo que el de
la linea de gas caliente, debido a que e1 retorno
del aceite resulta mas dificil. A bajas tempera·
turas de evaporacion, disminuye la capacidad
del compresor; por consiguiente, disminuye el
flujo del vapor refrigerante. Adernas, la densidad del refrigerante disminuye a medida que
disminuye la presion de succion, Esto reduce
la capacidad del vapor para arrastrar las peque·
fias gotas de aceite, y este puede permanecer
en el evaporador. Por otra parte, puede presentarse el problema de Ia penetracion de liquido
en la succi6n del compresor (ver el capitulo 5)_
_-_,
Evaporador .
Compresor
Figura 11.8 Tuberia de succi6n (el evaporador y el
compresor situados al mismo nlvel),
Recomendaciones generales. Las Iineas horizonta.
les deben tener una inclinaci6n en la direccion
del flujo para ayudar al retorno del aceite. Se
debe proveer un tubo vertical yuna trarnpa a'
la salida del evaporador, para recolectar el acei ..
te drenado del tubo vertical. La trampa sirve,
adernas, para recolectar el liquido mas abajo
del bulbo de Ia valvula de expansion (ver el capitulo 8).
El eoaporador y el compresor situ ados al mismo ~.
nioel. La figura 11_8 muestra la dis posicion recomendada en elcaso en que el evaporador Y,
el compresor se hallen al mismo nivel. Se pro:
vee un tubo vertical y una linea de rodeo, p(ira,
impedirque el liquido drene a1 compresor.
trarnpa a la salida del evaporador re~pge cualquier liquido que pueda drenar durante las
paradas.
.
','
La:
Evaporador
Compresor
Figura 11.9 Tuberia de succlon (el evaporador situado par encima del campresor).
Objetivos I 251
El euaporador situado por encima del compresor.
Si el evaporador se encuentra por encima del
compresor, se provee un tubo vertical y una
linea de rodeo, adernas de una trampa en el
evaporador (figura 11.9).
El euaporador situado por debajo del compresor.
La trampa y el tubo vertical se muestran en la
figura 11.10. Se debe proveer una trarnpa adidonal par cada 25 pies de tubo vertical, igual
que en el caso del tu bo vertical para el gas caliente.
.,
Control de reduccion de presion. Si el sistema
esta provisto de un control de reduccion de
presion, no es necesario utilizar la trampa y la
linea de rodeo para evitar que el liquido acumulado drene al compresor cuando el evaporador
esta situado por encirna del compresor. Cuando
se utiliza el control de reduccion de presion, se
instala una valvula accionada por un solenoide
a Ia entrada del evaporador (figura 11.11). EI
terrnostato de control se conecta de manera
que cierre la valvula, en lugar de parar el cornpresor. Este sigue operando .el tiempo suficien. te para eliminar cualquier refrigerante que
quede en el evaporador y en Ia linea de suecion, y luego en condiciones de baja presion
de sucdon,. se detiene median te la accion de
un controlador de baja presion.
Tuberia vertical doble. Cuando el compresor esta
provisto con etapas de control de capacidad, 0
Evaporador
Compresor
Figura 11.11 Tuberfa de succion equipada can control de reducclon de presion .
cuando los compresores multiples se operan
en secuencia, se utilizan dos tubes verticales
con el fin de mantener lavelocidad del gas reo
frigerante, y asegurar asi la elevacio n del aceite; de la misma manera que se haee cuan do se
trata de un tubo vertical de gas caliente, Esta
disposicion se muestra en la figura 11.12.
A veees se puede evitar el. uso de la doble
tuber ia vertical, tanto para las lineas de gas
caliente como para las de succion (particularmente en las aplicaciones al aire acondicionado), aun en el caso en que el compresor posea
aceesorios de descarga. Si se le da al tuba vertical un diametro apropiado para obtener elevada velocidad del gas a plena' carga, se tiene
que la velocidad a carga minima puede todavia
ser adeeuada para elevar el aceite. Esto da por
resultado una considerable caida de presion
en la tuber ia, 10 eual produce una disminucion
de la capacidad de refrigeraci6n, 0 un aumento
Pendiente
__,._
Compresor
Evaporador
Evaporador
Figura 11.10 Tuberia de succion (el evaporador
sltuado par debajo del campresor).
I
I
Figura 11.12 Doble tubo vertical de succi6n.
252 I Sistema de tuberfas para e] refrigerante
.!.
en la demancla de poteneia al compresor (capitulo 5). Sin embargo, la perdida de energia
no es tan grande a las temperaturas elevadas
de succion, y puede ser aceptable para el usuario. A las ternperaturas de la refrigeracion cornercial Ia perdida es mayor, y por ]0 corrnin, no
es aeeptable.
A menudo se utilizan evaporadores multipies, con un solo eompresor. En Ia figura 11.13
se muestran algunas eombinaeiones con las disposiciones recomendadas de la tuberia de suecion, para asegurar el retorno del aeeite y
proteger el compresor. Impedir que el liquido
drene al compresor cuando se para el equipo,
y adernas recoger el aceite procedente de los
tubos verticales, son los mismos principios que
determinan la disposicion, La figura 11.3(a)
rnuestra la tuberia de sueci6n de un evaporador
de serpentin dividido: En el caso de evaporadores separados, a diferentes niveles, la tuber ia
es como se muestra en la figura 11.13(b). La
pgura 11.13 (c) muestra la disposicion cuando
~}I
los evaporadores se hallan por encima y par
debajo de Ia linea de succion.
11.4 Lineas de liquido
El aceite y los refrigerantes halocarburos lfquidos
se mezclan antes de entrar a la Iinea delllquido;
por que el retorno del aceite no constituye un
problema al disefiar la linea del Iiquido. El pro.
blema mas irnportante estriba en evitar la for.
macion de gas de vaporizacion sub ita en la
linea del liquido, Este gas aumenta el volumen
del refrigerante que llega a la valvula de expan.
sion, 10 que reduce el flujo masico a traves.de
la valvula, y disminuye asimismo, la capacidad
de refrigeracion. El gas de alta velocidad que
pasa por el orificio de la valvula, puede erosionar el asiento y la aguja.
La vaporizacion siibita del g;ls tendra lugar
en la linea del Iiquidc, si la presion disminuye
por debajo de la presion de saruracion corres
pondiente a la temperatura del liquido refri-
:
Pendiente
--...;-
a)
Figura 11.13 T uberia de
succlon con evaporadores
multiples. a) Evaporador dividido. b) Evaporadores colocados a diferentes niveles.
c) Evaporadores situados
por encima y par debajo de
la linea principal de retorno
Pendiente
~
c)
de succi6n.
Objetivos f 253
gerante. Por consiguiente, la caida de presion
en la linea del liqui do resulta decisiva, Esta
caida de presion es el resultado de la fricci6n
en la tuberia y sus accesorios. Tendra lugar una
caida adicional de presion, en el caso en que
el evaporador se encuentre por encima del reo .
cibidor (0 del condensador, si no se tiene recibidor). Esto se conoce como carga estatica. La
presion en Ia 'parte superior del liquido (en eJ
evaporador), sera menor que aquella en la parte
inferior, debido al peso de la columna liquida.
En el caso de los refrigerantes R·12,R·22,R-502
Yel amoniaco, una columna liquida de un pie
de alto, ejerce una presion de aproximadamen·
re 0.5 lb/pulg".
Ejemplo 11.1. De un condensador sale refrigerante R·12 a 110 Ib/pulg2 manomet y 94°F. EI
evaporador esta situado a 10 pies por encima
del condensador. La perdida por friccion en
la linea del Iiquido y sus accesorios es de 2
lb/pulg '. (Habra vaporizacion siibita antes de
llegar a lavalvula de expansion?
Solucion La disposicion se rnuestra en la figura 11.14. La caida total de presion, producida por la carga estatica y la friccion, es de:
Carga e~latica
T
10 pies x 0.5 lblpulg2'pie
fricci6n
5 IbJpulg2
2 lbJpulg2
Caida total de presion
7 lbJpulg2
Evaporador
Ul
Q)
'0.
o
,..
Por consiguiente, la presion en la valvula de
expansion es de 110 - 7 == 103 Ibfpulg2
man. Se consultan las tablas de propiedades
, saturadas del R·12, y se encuentra que la pre·
sion de saturacion del refrigerante, a 94°F,
es de 106.5 Ib/pulg2 man. El refrigerante
experimenta un ligero subenfriamienro de
2°F al salir del condensador, puesto que la
temperatura de saturaciori es de 96°F a 110
Ib/pulg2 man.
En la valvula de expansion, la presion
(103 Ib/pulg2 man.) ha caido por debaio de la
presion de saturacion (106.5Ib/pulg2 man.)
y por consiguiente tendra lugar una expan.
sion stibita ..
._
Can el fin de obtener una caida de presion
razonable en la linea del Iiquido y evitar la
vaporizacion siibita, los condensadores se die
sefian y seleccionan 'para obtener un sube nfriamiento considerable del refrigerante liquido, de
12.a 20°F (ver capitulo 7). Se puede asimismo
tamar medidas adicionales, tales como la utilizaci6n deun cambiador de calor de liqu ido
y.succion,
Si el evaporador se ha1la situado por debajo
del recibidor y del condensador, se tiene entonees que la carga estatica ayuda a impedir la
vaporizacion siibita, puesto que la columna del
liquido aumenta la presion en el evaporador.
. Cuando el evaporador esta situado par debajo del recibidor, el refrigerante puede hacer
efeeto de sifon al evaporador, durante las pa·
radas. Durante el arranque puede tener lugar
el escurrimiento de liquido al compresoL Si eI
sistema tiene instalada una valvula de solenoide
en la linea de liquido para el control de reduccion de presion, este problema no puede tener
lugar, En el caso de que el sistema no tenga
instalada una valvula de solenoide, la linea del
liquido debe tener entonees una linea de rodeo
invertida (figura 11.15).
Condensador
Compresores multiples .. Cuando dos
Figura 11.14 Disposlclon de la tuberfa del ejemplo
1i .1.
0 mas com,
presores se conectan para que operen en paralelo, las conexiones de la tuberia se efectuan
254 I Sistema de tuberias para el refrigerante
U
vuelta. minima
de 6 pies
Condensador
Condensador
·1
Valvula de
selenolde
Evaparador
Evaporador
(b)
(a)
Figura 11.15 Tuberia de la linea delliquido. a) La
linea delliquido equipada can una valvula de solenoide para el control de reduccion de presion. b) La
linea del liquido equipada can una linea de rodeo
invertida, sin valvula de solenoide.
siguiendo el misrno principia basico que con
unsolo compresor: lograr el retorno apropiado
del aceite a todos los cornpresores, y evitar que
el liquido lIegue a los mismos. Para lograr esto
cuando se interconectan los cornpresores, es
necesario utilizar algunos disposirivos especiales.
La figura 11.16 muestra las conexiones de
succi6n y gas caliente de los cornpresores que
operan en paralelo, La instalaciori de succion
asegura que todos los cornpresores operen ala
misrna presion de succion, y reciban el aceite
distribuido por igual. Se utiliza un tuba cabezal
cormin, del mismo diametro ysituado por encima del compresor. De ahi, se derivan rarnales
can el mismo diametro. Solarnente en la tuberia vertical se hace una reducci6n.
Las lineas de gas caliente se conectan, asimismo, a un tuba cabezal cornun, el cual pasa
por debajo de las conexiones de descarga de
los compresores, impidiendo que el Hquido
drene de nuevo a estes, e impidiendo asimismo
Succlon
nrovcnleme de
105
evaporaocres
t
NOTA: EI ccmpensador 110gas debe ser del 'amana suliclenre para surnlnisuar, en cuafquler combinacl6n
de pare Y cperacicn de los comprescres, la rnisrna preston que hay en ci eaner a toeos los ccrnpresores
[cuatquier dlterencla de presiOn se rellcja en la ditereocja entre 105nlveles de aceite].
Figura 11.16. Conexiones para la succion y'
el gas caliente en los compresores que operan en paralelo. EI dlametro de la linea igualadora del gas debe ser 10 suficientemente
grande como para obtener aproximadamente la misma presion en los carteres de todos
los compresores, con cualquier combinaci6n
de compresores en paro y en operacton (cualquier diferencia en la presion S9 refleja por
una diferencia en tadas los niveles). (Reimpreso con permiso de Systems ASHRAE
Handbook & Product Directory del ario 1980).
Determinacion del diametro
que el aceite drene a algun compresor
este en operaci6n.
que no
Se requieren asimismo conexiones de cornpensaci6n, cuando los compresores estan en
paralelo (figura 11.17). Una linea igualadora
de aceite conectada en tre los carters, corre al
mismo nivel 0 por debajo de las tomas igualadoras de aceite, y asegura niveles uniformes de
aceite. Para evitar que se desarrollen presiones
desiguales del gas en ]05 carters, y por ]0 tanto
evitar Ia expulsion del aceite de algiin compresor, se conecta una linea iguaJadora del gas
entre los carters. Cuando las unidades de condensacion se conectan en paralelo, es necesario
instalar un compensador de presion de condensacion, entre los condensadores, para evitar
que el gas caliente sea expulsado a la linea del
Iiquido a traves de uno de los condensadores,
DETERMINACION DEL DIA.METRO
DE LAS TU1?ERiAS DEL
REFRIGERANTE
11.5 Corrdiciones de disefio para las
tuberfas del refrigerante
~
.
'.
.
La exper iencia ha llevado a la conclusi6n de
que existen caidas de presion y velocidades
/ 255
recomendadas en las tuberias del 'refriger an te.
Estos valores recomendados establecen un
equilibrio entre el costo de la tuber ia y los
aumentos en el coste de la energia, com 0 resultado de la excesiva caida de presion; puesto
que las tuber ias de menor diarnetro son causa
de un aumento en la perdida por friccion. Esto
se refiere particularrnente al caso de las Hrieas
de succion y de gas caliente. Cuando se trata
de lineas de liquido, los diametros se basan en
el mantenimiento de la caida de presion par
debajo de valores que resultarian en la vapo·
rizacion subita del liquido.
Ademas de estos factores, los diametros de
las tuberfas deb en ser tales, que aseguren que
las velocidades del fluido se encuentren dentro de ciertos limites, minirnos y maxi mos,
Para un flujo dado, la velocidad aurnenta Con
la disminucion del diarnetro de la tub er ia.
Las velocidades deben ser 10 bastante altas
como para asegurar un optimo retorno del
aceite en las lineas de succion y gas caliente.
Par otra parte, las velocidades que son dernasiado altas, conducen a caidas de presion, ru idos y vibraciones excesivos. En las Iirreas de
liqu ido, las velocidades elevadas pueden ocasionar golpeteos del liquido cuando se cierran
las valvulas.
Compensador
del gas en
el carter
Cornpensador
del aceile en
saclon
Nota: EI cornpensador de la presion de condensacion se
aplica solamente a las unidades de condensaclon.
Figura 11.17 Conexiones de cornpensaclon
para los cornpresores y unidades de condensacion que operan en paralelo. EI campensadar de la presion de condensaclon S9 conecta
solo a las unidades 'de condensacion. (Reimpreso con permiso del Systems ASHRAE
Handbook & Product Directory del afio 1980).
256 I Sistema de tuberias para el refrigerante
11.6 Caidas de presion
de la refrigeracion, expresar las caidas de presion de
disefio recomendadas
en las lineas de refrigerante, como un cambia de temperatura equiEs practica
comun en la industria
valente.
EI cambio de temperatura equivalente, Sf define como el cambia correspondien-
de La temprnuura de saturacum que,
ocurriria ron la caida de presion especiIf'
[icada.
El cambio de temperatura equivalente, consriruye una manera conveniente de expresar la
(aida de presion, debido a que las capacidades norninales de los compresores se basan en
las temperaturas
saruradas de succion y descarga (capitulo 5).
Ejemplo 11.2. La temperatura de evaporacion
en una unidad de refrigeracion que ut iliza, refrigemnte R-12. es de 38°F. La caida de presion en 1<1linea de succion es equivalente a 3(,'E
cCu.lI ser.i la caida de presion en 13 linea de
succion, expresada 'en lb/pulg~?
Solucum En ia tabla de las propiedades saturadas del R-12, se halla que la caida de
presion es:
PS:t1
a 38°F = 35.2 Ib/pulg:.! man.
PS:t1
a 35°F = _;__--32.6
caida de presion
:=:
2,6 lb/pulg"
Como ya se explico en el capitulo 4, la
temperatura del refrigerante en la linea de
succion, no disminuye real mente la cantidad
representada por el cambio de temperatura
equivalente. Simplemente constituye uri medio
converiiente de 'cxpresion, puesro que, para
un valor del cambia de temperatura equivalente, la caida real de presion, en Ib/pulg", varia can la temperatura de evaporacion, En
lugar de proporier diferentes caidas de presion para cada co ndicion, solo se necesita uri
valor.
Constituye una practica cormrn del diseno,
en el caso de los halocarburos,
utilizar 20F
como la caida de presion equivalente al deterrninar el diarnetro de las tres lineas (las
tuberias de succion, gas caliente y liquidoj
sin importar las condiciones de evaporacion
Ycondensacion. La experiencia ha demosn-j.
do que estes valores conducen a una avenencia conveniente entre el costo de la tuberia
y la potencia requerida. Estos valores recomendados son aproxirnados, y se deben utilizar
con flexibilidad, dependiendo
de las con di.
ciones.
EI aumento en el consumo de eriergia por
toneladade refrigeraci6n, para una caida de
presion dada, en lb/pulg", aurnenta a medi'da
que disminuye la temperatura de succi6n. PO);
consiguiente, es preferible 1m3 men6i'caida"d~
presion, cuando disminuye la temperaturad~
evaporacion. En las tablas de propidlacles s'jt
turadas se puede ver que para uncambio dado
de tern peratura, el cambii?de presipn' disrninuye a las temperaturas ;rri~sb'aj~s'.·E~te es el
motivo por el que un.cambio fijo de tempera,'
tura equivalen te, represen ta una mariera conveniente de especificar la caida de presion.
irnporta cual sea la temperatura de evaporacion, la perdida de energia es apraximadamente la misma, Esta misrna situacion se mantiene
para las condiciones de descarga.
La caida real de presion en lb/pulg", para
un cambio dado de temperatura equivalente,
es mayor para las condiciones de descarga que
para las condiciones de evaporacion; pero,·
para cada cambio en lb/pulg", 1a perdida de
energia es mucho rnenor a las ternperaturas
de descarga.
La siguiente tabla muestra algunos valores
de la caida real de presion correspondientes
a un cambia de temperatura equivalente de
saturacion de 2°F. Estos datos pueden confirmarse consultando las tablas de los refrigerantes.
No
i
Determinacion
del diamerro
REFAIGERANTE"rne6N"12
cAlDA DE PRESIONEN LAS LiNEAS (65' F a la salida dol evaprxadcr]
02
03 04
06 00 I
I 257.
C-34 (!?Sf
TONELADAS DE AEFRIGERACION
346010
<!O
3040
60 00100
---_
l-H--+-+-H--l-· -
- :- ~- _IL
II
1
02
03· 04~iaG ce I r,!'. 2
3 4 5 6· e 10
zo 30 40 50
CAIDA DE PRESION EN LIBRAS POA PULGAOACUADRADAPOR 100 PIES'
Figura 11,18 Diagramas para determinarel diarnetro
de las tuberlas que se utilizan con el refrigerante
R-12. (Copyright 1968 par E.!. duPontde Nemours &
Co.. "Freon" Products Division. Reimpreso con
permiso).
j/,;.,.
,
258 I Sistema de tuberfas para el refrigerante
AEFRIGERANTE"FREON"22
CAiDA DE PRESION EN LAS LiNEAS (65' a I. salida dol evaporcer)
TONElADAS DE REFAIGERACION
0_2
.__
---
I--- -
f--I--1--- -I----- _.
D~
03
0,4
0.6 O.B I
1.5 2
3
4 5 6
0 10
20
30 40!10
CAIDA DE PRESIONEN LIBRASPOR PULGADACUADAADA paR 100 PIES
Figura 11.19 Diagramaspara determinar el diametro
de las tuberias que S8 utilizan con 81 refrigerante
R-22. (Copyright 1968 por E.!. duPont de Nemours
& Co. "Freon" Products Division. Reimpreso con
perrniso).
03 O_q
0.6 O.B I
3
4
G
B 10
20
roo,
?oj4{l
,
~160
eo 'IOQ',
••
Determinacion
del diametro I 259
REFAIGERANTE"FREON"502
CAiDA DE PRESIONEN LAS UNEAS [65'F a la salina del evaporacor]
02
03 04
06
OU I
C-39[65)
TONELADASDE REFR!GERAGION
2
3 4
6
B 10
20
30 40
60
eo
100
-'+-++~+HI
o~
0 J 0.4
06 08 1 :
2
3
4 5 6
8 10
20
30 40 50
flClG; La e.li~ 00 IJICSlOnno III~-:e C!'lct.ttH111lfJ llujo puls.dl •. 51t1st! se pte-~fIIiL. u\d~iU cl !l:~mf!tro mi!.~ grandll $Igu1Cnlt!.
'-CONDENSADOR
r
/
/ / i[/
0.2
/
I/
If
i !I /
!I
!lrA/YII
/
II I ~ 1/
'Ii / !/rtl/l
A aO'F
a.t;1OI'I.!l$
CONDENSADORA 100'F
I
J
03 04 06 0 S I
J 4 5 E B 10
20 30 40 50
GAiDA DE PRESION EN LIBRAS POR PULG CUADAADAPOA 100 PIES
Figura 11.20 Diagramas para determinar el diarnetro
de las tuberias que se utilizan con el refrigerante
R-502. (Copyright 1968 par E.1. duPont de Nemours
& Co. "Freon" Products Division. Reimpreso con
perrniso).
La lil'lca del tiaUIOO !.lI cctctmlr!6 1I
. el c.oruJ(mr.:a.dor,
La51inCU!iee dc~gu.
r: CONDENSADORA 120'F
no cam~~n
pr:ra la ~ro
aDlccl,lt.!erncr'\l!!
e! ollllpOJador y nO·F en
O·~ en eJ cyopOl'~dtJ.1.
Olfil!O.cnn
O·F ~n
u.
IO!im5u!lado~, Se supenc QU~cl Vil.
delel'aparadore:;3;1
n f5~F.
"
260 f Sistema de tuberias para el refrigerante
11.7Diagramas para determinar el diametro de la tuberia
Tabla 11.1 Equivalente de la caida de presion para
un cambia de 2°F de la temperatura de saturaci6n.
Temperatura
de sstumciot; OF
La caleb de presion de los fluidos, at pasar a
lrin'i's de las tulx-r ias. st' dctcrmiuu a part ir de
I;IS CCII;tciOllCS riccillcid;IS ell la discipl ina de lu
mec.inica de los fluidos. Por ser converiiente
para dcu-rminnr los di.imctros de Lis iubcrfus
clel rd'I'igerallte.
los resultados de est.is cruaciOlles st' h:in orrlcn.ulo CII lablas 0 diagl'<IlllaS.
Las figlll'as 11.1 H, 11,1~) ~. I J .2() mucsrrun los
d.u os de la caida de presion de los refrigcrun-
It's R·t~. R·~2 ~.R·:102.corrcspondicrue» a las
lilll'as de sucrio n. gilS caliente ~' liquiclo.
El.uso dt' cSllls diagr.unas para deicrrninur
los dblllt'tros de las tubcrius. st' ilust ra mccliunIt' cl l:je IIIplo s igu icutc.
!:\
Solucion EI procediuriento
es como sigue:
[r."
1. En la tabla de las propiedades
del R·12
en la tabla 11.1), se halla que la caida
de presion correspondienre a 2°F, es de
lA lb/pulg '.
2. Puesto que la figura 11.18 se basa en una
caida de presion por cada 100 pies de tubo, se determina la caida de presion de
disefio correspondiente a esta longitud:
(0
R·12
R·22
-10
0.8
a
10
20
30
40
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
1.4
1.6
1.9
2.2
2.5
80
3,0
100
3.7
·4.7
5.8
120
4.5
7.1
2.8
iI 2.DIb/pulg:! y 100°F de temperatura
'de
condensucio n, se truza hacia arriba una' ...
linea vertical. (Nota: La escala de ca idn
de presion rie ne una pendiente, la cual
varia COIl In temperatura
de con dell'
Ejemplo 11.3. Un sistema <jut' ut iliza rcf'rigcrante
R·I:1. lil'lH' una carga de l'ei"rigcriKi(-m de discl-Io
dt' -10 to ncludus. LIS telllperatura~ de c\'aporiH'i,-)I) y con<iellsaci(-)!l SOil de 2()"F ~. J OO"F,
rcspccr iv.uucnu-. La rubcria es de cohrc del
t ipo L Hall.ircl di;iIlH:'II'O rcqucrido de la linea
de surciou. si la r'lida de prcsiou de diseuo
l'S cqu iv.rlcutc
iI ~()i:. La longirud
de Ja linea
til.' surrio n t's de III pies.
Caida de presion, /b/pu/g2'
saciou.)
-J.. En iii escula de capacidad (superior
cha), a partir del punro correspondientea
se trazn una linea vertical
hnrin aba]o, basta hacer interseccion con
Ia linea de temperatura de evaporacion de.···
-w toneladus,
-l()f'F (linens diugonales)
.. '.
n. Enseguida. a partir de esta imersecci6li,.
.
se rruzu una linea horizontal har ia la'iz-. ,.
quierda. En el punto en que est a linea
cort.i a Ja linea vertical de caidu de pre·
.siou, se halla el di.imerro requerido del: .
rubo. Esre vnlor esni entre 2 518 ~. 3 lis·
JJulg. D.E,
.
.
Ii. Se elige un tubo de:~ 118pUlg.D.E. puesto
que el di.imerro mellor aumenraria la cai-.
cia de presion.
La figuru 11.21 ilustrn la construccion
correspoudiente
a la soluciou.
Caida de presjon = 1.--1Ib/pulg:! x
100 pies
70 pies
=
2.0 Ib/pulg:? por 100 pies
:~. Se hilcc usn de iii fi[l,1lril 11.18. Yell la pal"
Ie inferior de la ('scala de ciliela dt' presitln.
En este ejeruplo. en que la solucinn gdficil
entre dos tam;1I10S de tubo, se eligio el mayo!". suponiendo que era inaceptable una 1113\'01'
caida cle presit'lIl. que la equi\'alente a 2'oF,
La cilida real de presi('lIl ser.i, menor que 2°F.
COIllU se ilustra ell eI sibTuiellte ejemplo.
eSlit
Determinacion
CAiDA
DE
r 261
REFRIGERAtHE··FREON" 12
PRESIONEN LAS liNEAS (65" a I. salida del evaporocn
02
: /:-1
del diarnetro
03 04
06 08 I
(;-34 (65)
TONELADASDE REFRIGERACION
2
3';
6 B 10
20
30 40
60 00 lOCI
V
/
1r-_~~~~A'~+-~~~++r--+~-+~~-r~~~~~/~;-r-~rt,;i+--+--ri-r-t-rrTTTr--+-+-T4~~
02
0.3 0.4
1
06 DB I
12
1
~
s
6
8
10
20
30· ~
so
<; CONDENSADORA BO"F
II
II
0.2
II il
II
II
I I / II
0.3 Q4
0.6 08 I
f'lr,c.
I
I 11 I I A III
J
I II
J
V II II I
II .... ~ Calda de W·sl6nroa! por 10? ples (_oas. ciomplo 11.4)
I ~II
3
.; 5 6
riA III rill
0 10
20
r soA I
30 40
CAiDA DE PRESION EN LIBRAS POR PULGADA CUADRADAPOR 100 PIES·
Figura 11.21 Grafica para la soluci6n del ejemplo
11.3.
Nota: La caida de presiOnno !ienc en cuema cl nujo
putsaJil.Si esta sa presenra, utiliztlr el diamctro
mas grondc si9-- 111 Iffla del liquido !iI dE>tcrmin6 a O·F (In el evaporador y OO·Fen el concensaoor, Las lincils de dascargaa oaF en e!
evaporndor. Otrns condiciones 1'10 camblan apreciab~emenlclos resunados.So supcne que 01
vapor a la ~alioa del evaporadoreslo.ia 65~F.
r--,CONOENSADOR A 120'F
c."j,tllr
.,"-IIt,(
I ..."..., u~, __ •• "
-ru ...: ".400(h
D,.. " ...
r.:.
11
... 1
262 I Sistema de tuberias para el refrigerante
Ejemplo 11.4. Hallar 13 caida de presion y la
caida de temperatura equivalente, correspondientes a las condiciones del ejemplo 11.3, si la
carga es de 40 toneladas, y se utiliza una linea
de succion de 3 1/8 pulg, D_E.
Solucian
I. Se prolonga la misma linea horizontal
utilizada para la carga de 40 to neladas,
hasta que corte la linea deS 1/8 pulg, D.E_
2_ Se proyecta una linea vertical, desde este
punto hasta la escala de caida de presion,
a una temperatura de con densacion de
100°F.
3. Se lee en 1£1 interseccion el nuevo valor
de la caida de presion, el cual es de 1.4
Ib/pulg!! por 100 pies. Par consiguiente,
1£1 caida de presion correspondiente a la
linea de succion de 70 pies de longitud,
es de:
Caida de presion
=
70
',--
100
=
1.4 IbJpulg2
X
'}
1.0 lb/pulg"
.'
4. Se hallo, enlastablas de las propiedades
del R-12, que una caida de presi6n de 1.4
lb/pulg" corresponde a 2°F, a 20DF. Se
establece la relacion entre la nueva caida de
presion yla an terior, yse halla quela caida
de temperatura equivalente es de: ;
I)
.',
Caida de temperatura
~
1.4
equivalente
x 2°F = 1.4°F
Un punto importante de los resultados del
.ejernplo 11.4, indica que la perdida de energia
producida por 1£1 friccion, es menor que la que
originalmente se tuvo en cuenta, debido almayor diametro del tubo. Otra manera de considerar este punto, se basa en que con la linea
de 3 1/8 pulg, D.E_se puede manejar una mayor
capacidad de refrigerad6n en toneladas, si se
torna una caida de temperatura equivalente a
2°F. La figura 11.18 se puede utilizar de una
manera similar para hallar este resultado, el
mal es de alrededor de 45 toneladas. (El esrn.
cliante debe verificar este valor resolviendo el
problerna.)
EI que el sistema produzca un mayor tonelaje (45 toneladas), 0 40 toneladas con rnerios
perdida de energia, no se puede deterrn'ina-:
mediante este procedirniento. Esto depende "
del tamario )' del equilibrio entre los cornpo- .
nentes, asi como de los con troles de capacidad.
Estos ternas se tratan en los capitulos 5 y 14_"
11.8 Longitud equivalente de la tuberfa
La caida de presion no solo tiene lugar en una, .,'
tuberfa recta; sino asimismo, en los accesorios '"
y valvulas instalados en la tuberia. Es conveniente expresar 1£1 caida de presion que tiene :
lugar en un accesorio 0 una valvula, como la
'longitud equivalente (L.E.) de tuberia recta que
tendria la misma caida de presion. La Iongitud
real de la tuberja se agrega a la longitud equivalente de los accesorios y valvulas, para hallar
una longitud total equivalente de tuberia. La •
tabla 11.2 enumera las longitudes equivalentes .
~de los accesorios y valvulas,
Observese que las longitudes equivalentes
dependen del diametro del tubo, y por consiguiente, no se pueden deterrninar con preci- '
sion, hasta que no se haya seleccionado un
diarnetro para el tubo. Para resolver este pro- '
blema, se elige un valor de ensayo de las Ion.
gitudes equivalentes de los accesorios; valor
que luego se ajustara si fuera necesario. Se
acostumbra, por 10 cormin, agregar entre uri
50 y un 100 par ciento de la longitud de la
tuberia recta, como un valor de ensayo para'
la caida de presion a traves de los acceso- ,
rios. EI ejernplo siguiente ilustra este procedimiento.
Ejemplo 11.5. Una linea de succi6n consiste de
22 pies de tubo recto, y (res codos de 90° de radio corto, de tuberia de cobre del tipo L.,EI
sistema utiliza refrigerante R-12, con una capa-
{
r. ~
Determinacion del diametro I 263
. \~.t
Tabla 11.2 Longitudes equivalentes en pies de los
accesorios y valvulae: tuberia de cobre del tipo L.
Dii!lme/(o
de III linea.
DE.
pulgadas
vetvutes
Valvula
de globo angular
yde
sotenoiae
Codos
de radio
corro
Codas
de radio
largo
tnoicsaores
de /iquido
y
conexiones
Te
Ramal
Te
Ia tabla 11.2, las longitudes cqll ivalcrucs
de los accesorios correspondicntes a u na
linea de 2 I/H pulg, D.E.
:1 codos x 0.2 pies = 10Jj pies
112
70
24
4.7
3.2
1.7
6.6
51B
72
25
5.7
3.9
2.3
8.2
3/4
75
2S
6.5
4.5
2.9
7/8
78
28
7.8
5.3
3.7
12
1 liB
87
29
2.7
1.9
2.5
8
1 3/8
102
33
3.2
2.2
2.1'
lQ
15/8
115
34
3.8
2.6
3.0
12
211ft
141
39
5.2
3.4
3.8
16
2518
159
44
6.5
4.2
4.6
20
31/8
185
53
8.0
5.1
5.4
25
9.7
3518
216
66
10
6.3
6.6
30
4118
248
76
12
7.3
7.3
35
5118
292
96
14
B.B
7.9
42
61/8
346
119
17
93
50
10
:t Ahora se pueden determ inar, media ntc
Esto proporciona una longilucl cqu ivalen te total (L.E.T) de
L.E.T = 22 + 15.0 = ~7.() pies.
4. Nuevamente se usa la figura II.H, para
determinar si la tuberia de 2 IIH pulg.
D.E. resulta adecuada con este aurneruo
en la longitud. La caYda de presion permisible (a 40°F) es de
100
1.8 Ib/pulg!! x
4.8 lb/pulg:!
37.6 x 100 pies
.
cidad de diserio de 30 toneladas. Las ternperaturas saturadas de succi6n y descarga son de 40°F
y 105°F, respectivamente. La caida de presion
de disefio, es equivalente a 2(T Hallar el diametro requerido de la linea de succion.
Solucion
1. Puesto que todavia no se conoce el diametro de la tuberia, no es posible aiin determinar las longitudes equivalentes de
los accesorios. Sup6ngase que equivalen
al 50 por ciento de la longitud de la tuber ia. Par consiguiente:
Longitud
equivalente total estimada
1.5 X 22 = 33 pies.
2. Se utiliza ahara la figura 11.18, para hallar
el diarnetro requerido de una tuberia de
33 pies de longitud, como se hizo en el
ejemplo 11.3. Se obtiene como resultado
una tuberia de 2 118 pulg, D.E. (EI estudiante debe hallar esta selecci6n.)
=
.
Una vez que se localiza el punto de interseccion para esta condicion, se determinaque la tuberia de 21/8 pulg,D.E. sigue
siendo adecuada.
.11.9Determinacion de los diametros de
los tuhos verticales para asegurar
el retorno del aceite.
El procedimiento empleado para determinar
los diarnetros de la tuberia, debe verificarse en
el casa de los tubos verticales para la succi/in
y el gas caliente, a fin de asegurarse de que el
flujo del refrigerante es adecuado para elevar
el aceite par eI tubo vertical. Las tablas 11.3 y
11.4, muestran el tonelaje minirno necesario
para asegurar el arrastre ascendente del aceite
por los tubas verticales de succion y de gas caliente. Observense los factores de correcci6n
enumer~dos en la's nabs de las tablas, los cuales depend en de la temperatura.
Si el diarnetro del tubo se determina por los
procedimientos explicados anteriormente, debe
verificarse para determinar si es 10 bastante reducido como para elevar el aceite por los tubes
~I~.::
264 I Sistema de tuberfas para el refrigerante
c-
...',
Tabla 1·f.3 Tanelaje minima para el arrastre del aceite par los tubos verticales 98 succion. Tuberia de cobra,
tipo L
,/
, .."
..,.-,\
LL,
)./
1)1
Ternpete-
5/B
'?}i
/a
=!
Diuneiro exte16r de /~/t(;beria, pu/g.
I
,
Tempera- tura del _0._50_0
__ 0_.6_25
__ 0_.7_5_0_0_._87_5
__ 1_1_23
__ 1_.3_7_5
_1_.6_2_5-i-(_2;:::1-;2_5_(\_---;,2;-:62;=-5~1;:-3:-.17'25rl(:-3:::-.6-:;2:-:tura de gas de
Area, pu/g2\ / J.. \1/ Sk ':fJ r,ttJ '1<2 S{?
-___O~0 L. ,_)-=~ a ..J!~
satura- succion,
__:!L_
Refri-
gerante cion,
12
of
-40.0
-20.0
0.0
20.0
40.0
-40.0
22
-20.0
0.0
OF
0.146
0.233
0.348
0.484
0.825
1.256
1.780
3.094
4.770
6812
9.213
-30.0
-100
10.']
-10.0
10.0
30.0
10.0
30.0
50.0
30.0
500
70.0
50.0
70.0
90.0
0.045
0.044
0.044
0.059
0.058
0.059
0.077
0.075
0.075
0094
0.095
0.095
0.121
0.117
0.117
0.061
0078
0080
0.106
0.103
0.105
0.139
0.134
0.135
0.169
0.170
0.170
0.217
0.210
0.211
0.133
0.130
0.132
0.175
0.171
0.173
0.229
0221
0.223
0279
0.280
0.281
0.358
0.347
0.348
0.201
0.196
0.199
0.264
0.258
0.262
0.345
0.334
0.337
0.421
0.423
0.425
0.391
0.381
0.388
0.513
0.503
0.510
0673
0.650
0.657
0.820
0.825
0.828
1.05
0.662
0.645
0.655
0.868
0.850
0.863
1.14
1.10
1.11
1.39
1.39
1.40
1.78
1.73
1.73
1.02
0.997
1.01
1.34
1.31
1.33
1.76
1.70
1.72
2.14
2.16
2.17
276
267
2.68
2.04
1.99
2.02
2.68
2.62
266
351
3.39
3.43
4.28
4.30
4.32
5.50
533
5.34
3.51
5.48
3.42
5.34
3.47
4.60
4.51
4.57
6.03
5.42
7.19
7.04
7.14
9.42
9.09
9.19
11.5
11.5
11.6
14.8 .
14'j
14.3
799
7:78
7.91
10.5
10.3
10.4
13.7
133
13.4
16.7
16.8
16.9
21.5
20.8
20.9
-30.0
-10.0
10.0
0.067
0.065
0.066
0.OB7
0.085
0.086
0.111
0.108
0.109
0.136
0.135
0,135,:0.167
0.165
0.165
0.119
0.117
0.11 B
0.156
0.153
0.154
0199
0194
0.195
0.197
0.194
0.195
0.258
0.253
0.254
0.328
0.320
0.322
0.403
0.399
0.981
0.963
1.52
3.03
2.97
0.972
1.50
1.98
1.95
1.95
2.53
2.46
2.47
-10.0
10.0
30.0
10.0
30.0
20,0
40.0
50.0
30.0
50.0
70,0
50:0
70,0
90.0
0.244
0.242
0.242
0.300
0.296
0.296
0.400
0.495
0.488
0.488
0.541
0.524
0.526
0.298
0.292
0.295
0.3S9
0.362
0.383
0.496
0.484
0.486
1.02
1.02
0.580
0570
0.575
0.758
0.744
0.747
0.986
0.942
0.946
0.608
118
0.603
0.605
1.17
1.18
1.46
0.748
0.737
0.738
1.28
1.26
1.26
1.63
1.59
1.60
2.00
,.99
1.99
2.46
2.43
2.43
1.44
1.44
1.49
3.10
3.07
3.08
3.B1
3.75
3.76
3.00
3.96
3.88
3.90
5.04
4.92
4.94
6.18
6.13
6.15.
7.60
7.49
7.50
5.82
5.89
7.35
7.39
7.42
9.45
9.16
9.18
5.20
5.11
5.15
6.80
6.67
6.69
8.66
8,45
8.48
10.6
10.5
10.6
13.1
12..9
12.9
8.12
7.97
8.04
10.6
10.4
10.4
135
132
13.2
16.6
16.4
16.5
2CJ4
.~Q~l;
20.1
11.970
11.8
16.4
11.6
16.1
11.7
15.5
15.2
15.2
16.3'
21.5
21.1
21.1.
27:4'
26.7
19.7
19.2 .
19.3
26,8
24.2
33.5
24.0
. 33.3·
24.0
33.3
29.7
41.3
29,3
40.7
29.3
40.7.
Nota: EI tonelaje esta basad a en una temperatura delliquido de gOOF, y un sobrecalentamiento como se indica en la lista
de temperaturas. Para otras temperaturas en la linea delliquido, se utilizan los tactores de correcci6n de la tabla que aparece
a continuacion.
Temperaturadellfquido OF
50
60
70
80
1.17
1.13
1.09
1.04
22
1.17
1.14
1.10 ,
502
1.24
1.18
1.12
Refrigerante
12 Y
500
1.06
.-
100
110
120
130
140
0.96
0.91
0.87
0.81
076
0.94
0.89
0.85
0.80
0.87
0.81
0.74
0.67
094
Reimpreso can permiso del FundamentalsASHRAE Handbook y Product Directory del ario 1981 .
.:)
~
.-:
Determinacion
verricales. Esto resulta especialmente irnportante en eI caso en que eI eompresor y eI sistema
posean dispositivos de redueci6n de la capaci-
dad, puesto que la velocidad disminuira, a meelida que disminuyan asirnisrno la capacidad y el
flujo. El siguiente ejemplo ilustra el lISO de las
rablas 11.3 y 11.4.
del diarnetro I 265
la carga total. Es preeiso verifiear si el diarne tro
seleccionado de la tuberia es 10 bastante re ducido como para retornar el accite, elevandcilo
por un tubo vertical a minima carga. La ternperatura del gas de succion es de 50°F, yel suo
benfriamiento de 15°F.
Solucioti La carga minima es de 0.2 x 30 = 6
toneladas. En la tabla 11.3 se halla que una
tuber ia de 2 1/8 pulg, D.E. sera satisfacto ria
para una carga de 5.5 toneladas. No es rie-
Ejemplo 11.6. EI sistema de refrigeraci6n descrito
en el ejemplo 11.5, tiene una capacidad de regulaci6n del compresor de lin 20 pOI' ciento de
Tabla 11.4 Tonelaje minima para el arrastre del aceite par los tubos verticales del gas caliente. Tuberia de
cobre, tipo L.'
Diemetto exterior de la tuberia, pulg.
Tempera- 0.500 0.625 0.750 0.875
Tempera- tura del -----------------------------------tura de gas de
Aefriseture- succion,
0.146 0.233 0.348
0.484
OF
geranle cion, OF
12
80.0
90.0
100,0
'11'0.0
120.0
.1 ..
22
80:0
,90.0
100.0
110.0
120.0
110,0
140.0
170.0
120.0
150.0
'180.0
130.0
160.0
190.0
140.0
170.0
200.0
150.0
180.0
1.123
1,375
1.625
2.125
2.625
3.125
3.625
4.125
3.094
4.770
6.812
9.213
11.970
Area, pulg2
0.825
1.256
1.780
210.0
0.161
0.150
0.143
0.167'
0,155
0.147
0.171
0.159
0.151
0.174
0.162
0.153
0..175
.0.162
--- 0.153
0.289
0.270
0.256
.0299
0.278
0.264
0.307
0.285
0.271
0.312
0.290
0.274
0.314
0.291
0.274
0.478
0.443
0.423
0.494
0.459
0.436
0.506
0.470
0.448
0.515
0.479
0.452
0.518
0.480
0.452
0,721
0.672
0.638
0.745
0.694
0.639
0.765
0.710
0.677
0.778
0.724
0.683
0.782
0.725
0.682
1.41
1.31
1 24
1.45
1.35
1.28
1.49
1.38
1.32
152
1.41
1.33
1.52
1.41
1.33
2.38
221
2,10
2.46
2.29
2.17
2.52
2.34
223
2.56
2.38
2.25
2.5B
239
. 2.25
3.67
3.42
3.25
3.80
353
3.36
3,89
3.62
3.43
3.96
3.69
3.49
3.96
3.69
3.47
7.33
6.83
649
7.58
7.05
6.70
7,77
7.22
6.88
. 7.91
7.36
6.95
7.95
7.37
6.93
12.6
11.7
11.1
13.0
12.1
11.5
13,4
12.4
11.B
13.6
12.6
11.9
13.7
12.7
11.9
19.7
163
17.4
20.3
18.9
18.0
20.8
19.4
18.4
21.2
19.7
18.6
21.3
19.8
18.6
28.7
26.7
25.4
29.6
27.6
26.2
30.4
28.2
28.9
30.9
288
27.2
31.1
28.8
27.1
:39.8
37.1
352
41;1
383
36.3
42.2
39.2
37.3
42.9
39.9
37.7
43.2
40.0
37.6
110.0
140.0
170.0
120.0
150.0
180.0
130.0
1600
190.0
1400
170.0
200.0
150.0
180.0
210.0
0.235
0.223
0.215
0.242
0.226
0.216
0.247
0.231
0.220
0.251
0.235
0.222
0.257
0.239
0.225
0.421
0399
0.385
0.433
0.406
0.387
0.442
0.414
0.394
0.451
0.421
0.399
0.460
0.428
0.404
0.695
0.659
0.635
0.716
0.671
0.540
0.730
0.884
0.650
0.744
0.693
0.658
0.760
0.707
0.666
1,05
0.996
0.960
1.06
1.01
0.956
1.10
1.03
0.982
1.12
1.05
0.994
1.'15
1.07
1.01
2.03
1.94
1.87
2.11
1.97
1.88
2.15
2.01
1.91
2.19
2.05
1.94
2.24
2.08
196
3,46
3.28
3.16
3.56
334
3.18.
3.83
3.40
3.24
3.70
3.46
3.28
3.78
3.51
3.31
5.35
5.07
4.89
5.50
5.16
4.92
5.62
5.26
3.00
5.73
3.35
5.06
5.85
5.44
5.12
10.7
10.1
9.76
11.0
10.3
9.82
11.2
105
9.96
11.4
10.7
10.1
11.7
10.8
10.2
18.3
17.4
16.8
18.9
17.7
16.9
19.3
18.0
17.2
19.6
18.3
17.4
20.0
18.6
17.6
28.6
27.1
26.2
29.5
27.6
26.3
30.1
28.2 .
26.8
30.6
28.6
27.1
31.3
29.1
27.4
41.8
396
38.2
43.0
40.3
38.4
43.9
41.1
39.1
44.7
41.8
39.5
45.7
42.4
40,0
57.9
54.9
52.9.
59.6
55.9
53,3
60.B
57.0
54.2
62.0
57.9
54.8
63.3
58.9
55.5
NOTA: EItonelaje esta basado en una temperaturasaturadade succi6n de 20 of, con 15 a de sobrecalentamiento a las temperaturassaturadas
de condensaci6n indicadas. can 15°F de subenfriamiento.Para otras temperaturas saturadas de succion, can 15°F de sobrecalentamienlo,
se usan los siguientes Iactores de correcci6n:
Temperatura saturada de succi6n F -40
-20
0
40
Factor de correcci6n
0.88
0.95
0.96
1.04
Reproducido con permiso de FundamentalsASHRAEHandboo/( & Product Directory de ano 1981.
266 I Sistema de tuberias para el refrigerante
cesario efectuar correccion alguna, para la
condici6n de condensacion (la temperatura del Iiquido es de 105 - 15 ee gOOF).
La tuberia original seleccionada de 2 1/8
pulg D.E., resulta satisfactoria.
Si el diametro del tuba vertical resulta ser
demasiado grande para poder arrastrar el aceite
a carga minima, se cuenta con dos posibles soluciones. EI primer enfoque sera el de considerar
la reduccion del diametro del tubo vertical, mientras se deja el resto de la linea con el diarnetro originalmente seleccionado. Se aurnentara
asi la caida de presion a traves del tubo vertical.
Sera preciso recalcular la nueva caida total de
presion a traves de la linea, y si no excede 13
caida de presion permisible de disefio a plena
carga, entonces esta es una solucion.factible.
EI diseiiador puede hasta llegar a aceptar u n
.311111entoen la caida de presion de disefio, si
la perdida de energia es pequefia,
En caso de ser inaceptable la reducci6n del
diametro del tubo vertical, la solucion consiste
en utilizar dos tubos verticales, A menudo, a
bajas temperaturas de evaporaci6n, 0 si las etapas de descarga son muchas, es necesario utilizar dos tubos vertieales para la succion, Al tubo
vertical mas pequefio se le da un diarnetro adecuado para manejar la carga minima. AI tubo
vertical mayor se Ie da un diarnetro tal, que Ia
surna de las areas de ambos tubos verticales sea
por 10 menos igual al area total requerida. El
siguiente ejemplo ilustra el procedimiento.
1'
A
R
Evaporador
Compresor
Figura 11.22 Esquema de la disposici6n de las
berias del ejemplo 11.7.
Solucioti El procediniiento
como sigue:
tU7
se lIeva a cabo
1. Se estima la lohgitud equivalente de la tu-
beria. La longitud recta (hasta el tubo vertical B) es de 62 pies. Se supone un 70 por "
ciento de longitud adicional de tuberia
para los accesorios.
L.E. = 1.7 x 62
=
105 pies
2. A 40°F, la caida de presi6n equivalente
a 2°F es de 2.8 Ib/pulg2 (tabla 11.1). Este
valor se ajusta a 100 pies de longitud, con
el fin de utilizar la figura 11.19.
.~
C atid a dee preslOn
Ejemplo 11.7. Un sistema de refrigeraci6n que
utiliza refrigerante R-22, tiene una carga de diseii.o de 65 toneladas. Las temperaturas saturadas
de succion y condensacion son de 40°F y 120°F,
respectivamente. La carga minima es del 20 por
ciento. La disposici6n de la linea de succion es
como se muestra en Ia figura 11.22. La caida de
presion de diserio esde 2°F. Deterrninar el diametro de la linea de succi6n, y de los tubos verticales. La tuberia es de cobre, del tipo L. Las
temperaturas del gas de succion y del Ifquido
son de 70°F y 90°F, respectivamente.
9'
8'
=
2 .8 x _"100
105
.= 2.7 Ihlpulg2 por 100 pies
Se lleva a cabo el trazo usual en la figura
11.19, y se halla que el diarnetro requerido
para la linea de sucd6n es de 3 118 pulg,
D.E. Debe comprobarse la L.E. para los
accesorios, )' repetir los calculos si es necesario.
3. Deterrninar si el diarnetro del tubo vertical, es 10 bastante reducido como para
asegurar el retorno del aceite.
Determinacion
Carga minima
",.
= 0.2 x 65 = 13 toneladas
En la tabla 1 1.3 se halla que un tuba de
3 1/8 pulg D.E., tiene una capacidad minima de 5610 20.4 toneladas. Se podr ia
considerar
la reduccion del diametro a2 5/8 pulg D.E., si fuera aceptable
el
aumento en la caida de presion. Sin ernbargo, se usara como ilustraci6n en este
ejemplo, un doble tubo vertical.
4. En la tabla 1l.3 se halla que el tubo vertical requerido
para la carga minima es
de 2 5/8 pulg., D.E. Su capacidad minima
es de 12.9 toneladas.
5. Se pasa ahora a determinar el diarnetro
del segundo tubo vertical, de tal manera
que las areas combinadas sean equivalentes a la de la linea de succion, para un
tubo de 3 118 pulg D.E. Las areas transversales de los tubes se muestran en la
tabla 11.5.
•
caso de la disposicion
mostruda en la figura
11.23. La carga de disefio es de 55 toneladas
y se usa refrigerante
R·22. La temperatura
de evaporaci6n
es de 40°F Y la de cond ensacion es de 105°F. La tuberia es de cobre,
del tipo L. La caida de presion de disefio es
de 2°F.
Solucitm
I . La longitud recta de la tuber ia es de 20
pies. Si se utiliza un valor de ensayo de
100 pies equivalentes para los accesor ios
y las valvulas, la longitud equivalente
es
de
L.E.
Diferencia
= 100 +
Caida de presion
= 6.81 pulg"
=
4.77 pulg2
=
2.04 pulg2
Eldiametro deltubo
mas aproximado
que
tiene un area mayor que la indicada, es el de
una linea de 2 118 pulg D.E. Este es el d-iame·
tro del segundo
tubo vertical.
11.10 Dimensionado de la linea del
liquido
Reviste la mayor importancia, al determinar las
dimensiones
de las lineas del Iiquido, que la
caida de presion se mantenga 10bastante baja,
como para impedir la vaporizacion
subita. El
siguiente ejemplo ilustra el procedimiento.
20
+ 120 pies
2. La caida de presion equivalente
a 2°F, a
105°F, es de 6.1 Ib/puJg2• La caida de
presion correspondiente a 100 pies es de •
Area del tubo de 3 1/8
pulg D.E.
Area del tubo de 2 5/8
pulg D.E.
del diametro I 267
=
6.1 lb/pulg"
•
')
100
x -120
= 5.0 lb/pulg"
Se utiliza Ja figura 11.19, yse halla que
corresponde
a un tubo de 1 1/8 pulg D.E
I
I<
- E------16'--------;;-t
Condensador
2'
Fillro deshidratador
,,
,,
Evaporador
expansion
Ejemplo 11.8. Deterrninar
el diametro de la linea
del liquido, y su subenfriamiento
requerido,
a
fin de impedir
la vaporizacion
subita, en el
Figura 11.23 Esquema correspondiente al ejernplo
11.8.
268 f Sistema de tuberfas para el refrigerante
:t Se puede pasar ahora a co mprobar la
longitud equ ivalente. La L.E., tornada de
la tabla 1].2 es de
valvu la de soleno ide ==
in dicador de Iiqu ido
='
4 codos
iuberin
==
L.E
87 pies
2.5 pies
7.6 pies
20 pies
== 117.1 pies
Este valor se ace rca bastarue al estirnado
original de 120 pies. No es necesario hacer correccion alguna. No obstante, es
precise agregar la caida de presion a traves del filtro secador. Se puede suponer
que el fabr icante ha suministrado esta
informacion como 2 lb/pulg '.
Sin embargo, existe una ganancia en la
presi6n estatica, procedente del ramal vertical de tres pies de largo, Ia cual se debe
restar de la caida de presion. Puesto que
cada dos pies de altura vertical de! refrigerante Iiqu ido ejerce tina presion de
aproximadamente
1 lb/pulg", la presion
que se debe restar, es de 1.5 Jb/pulg~. La
caida neta de presion en 1£1linea del Iiquido. es de
6.1 -
1.5
+ 2
= 6.6
4. Ahora se pasa a deterrninar
Ib/pulg2
1£1cantidad de
subenfriamiento necesaria para impedir
la vaporizacion subita. La presion de condensacion a 105°F, es de 210.8 Ib/puIg2
manomet. POl' consiguiente, la presIOn
en la valvula de expansion, es de
210.8 -
6.6
=
204.2 lb/pulg'! manomet
A fin de evitar la vaporizacionsub ita, el
refrigerante debe 'estar por debajo del
puma de ebullicion correspondiente
a
esta presion, de 103°F. POl' 10 tanto, la
cantidad minima necesaria de subenfriamien-to en el condensador, es de
Como ya se menciono anteriormente,
los condensaclores se se1eccionan por 10
general, can una cantidacl considerable- .
mente mayor de subenfriamiento que la
indicac1a.
11.11 Dimensionado
condensador
de la linea del
Cunndo se utiliza un recibidor,
la linea que
va del coridensador al recibidor (llamada la linea del condensador) se conecta como se rnuestra en la figura 11.2l1. Se le da a la linea la
dimension necesaria, de manera que la carga
estatica, en el ramal vertical X. sea suficiente
para veneer la perdida por friccion. Los diametros recomendados aparecen en la figura
11.24.
11.12 Utilizacion de Ia energia
A continuacion
se resumen las principales consideraciones respecto de las tuberias del refrigeranre, que afectan a la utilizacion
de la
energia.
1. A las lineas de succi6n y de gas caliente
se les deben dar dimensiones apropiadas
.para obtener las caidas de presion recomendadas, que sean razouablernente bajas, puesto que la potencia al compresor
aumenta can el diferencial de presioJ?',
'2. La caida de presion-en la linea delliquido
debe ser 10 bastante baja como para impedir 1a vaporizacion subita. EI gas de vaporizacion siibita reduce la capacidad de
1£1 valvula de expansion, afectando asimismo, la capacidad del sistema.
3. Si se utiliza, para el subenfriarniento,
un
cambiador de calor de liquido y succion,
este mejorara asirnismo la eficiencia de la
energia del compresoL
4. Se deben seguir los procedimientos recomendados para haeer que retorne el aceite.
Accesorios y valvulas I 269
Del compresor
..,
AI evaporador
Diametro de la
linea del condensado (dlametro exterior
en pul.)
Relrigerackln;ton!!lajemaximo '.'
Refrigerante Refrigerante
12
22
Refrigerante' "X" mlnimo,
500
pulga
If.!
1.2
2.3
6.4
1.4
25
7.7
1.2
24
6.8
8.
5fc
13.3
22.5
34.6
15.9
26
41
14.0
23.6
15
%
l'la
1 :Va
1%
2Y8
2%
3'/0
3%
·69.0
119
184
261
83
143
220'
312
36
72
125
194
274
18
°Esta esla elavaclon minima enlre la salidad de un serpenlin de condensador y la entrada de un recibidor que se requiere para lacarga
total, cuando al recibldor sa instala en 'el cabezal de salida delserpentln
(eon base en 10 pies de tu~ria horizontal, a una valvula y dos codos).
en exceso de aceite en el sistema, recubrira
las superficies' de transferencia de calor
del evaporador y del condensador, reducierido asi su eficiencia,
Figura 11.24 Diarnetros recomendados para las Jineas del condensado.
ACCESORIOS Y V.ALVULAS DE LOS
SISTEMAS DE REFRIGERACION
se han discurido, debido a que sus ohjerivos
estan estrechamente relacionados con los ternas
cubiertos. Los dispositivos de control de flujo,
se cubren por separado en el capitulo 8. Los
dispositivos estrechamente relacionados con el
compresor. tales como los calentadores del carter), los filtros de la linea de succion, se discuten en el capitulo 5.
en
11.13 Filtros secadores
cierto mirnero de dispositivos y valvulas
instalados en las lineas de refrigerante, 0 en
el equipo, realizan funciones convenientes. AI·
gunos dispositivos mejoran el funcionarniento
del sistema. otros pueden tener funciones de
seguridad 0 servicio. Algunos dispositivos ya
Este dispositive (figura 11.25), instalado en la
linea del liquido, .elimiJ:l..~.t.a.:D.~C?_~L!!g1lJL~n_Jqr·
~~:l.~.ci,c::humedad), comolas pg_r!:f~l!1~.e.x..u:;~i)a5.
£1 agua puede causal' la corrosion de las partes
270 I Sistema de tuberias para el refrigerante
CASCO DE ACERO
SALIDA.
NUCLEO FILTRANTE
EN<lTRADA
.~~~~#m~-..J
Figura 11.25 Filtro secador de refrigerante.
met.ilicas. Puede hnrnedecer los devanados de
los motorcs hermeticos, ocasionando que estes
se qucmcl1. Puede, asimismo. congelarse en el
oriticio de la vtilvula de expansion. Las particulas extrunas pueden aru mularse en la valvula
de expansion e interferir con su movimiento,
pueden contaminar el aceite c1emanera que la
lubricacion se yea afecrnda adversarnente,
()
pucden rayar los pistones 0 las paredes de los
cilindros.
El filtro secador contiene un c1eseeante, que
es un material poseedor de una gran afinidad
pOl' el agua. Asimismo, un. mlro dentm del disI!.~~iti"o separ;! las parriculas s6lictas. Los filtros
sec~ld()res puedeu ser desechables, 0 pueden
teller u n nucleo reemplazable. Entre los desecantes de lISO connin, se inclu yen la silica gel
\" 1<1alumina activada.
Si bien se pueden usar coladores (filtros) y
serudores por separado, el filtro secador es
obviarnenre mas conve nieute. Se milizan filttos
adicionales antes de las d.lnilas nutomaticas
las llneas de:_~_llcci()J)_Sl~_.h~
..SQE'!p~esores
'Zi~~~-'n()poseen c()lado~~_:..integrales. _.._-_
;''-'en
Figura 11.26 Indicador de liquido para el refrigerante.
de liquido. Los indicadores de Iiquido tienen
por 10 genera! lin indicador de humedacl, eI
cual revela la presencia de humedad en el reo
frigerante. En este caso, se debe proceder a una
accion inrnediata: por ejemplo, cambiar el filtro secador. ....
EI indicador de Ifquido se usa a menudo en
sistemas de poca capacidad, can el fin de de:
terrninar si el sistema queda cargado en forma
adecuada cuando se agrega refrigerante.
£1 indicador de liquido se debe instalar precisamente antes de la dlnda de expansion, de
~·I~a
g~~_:10 se yea arectado_por otros dispositives presentes en la linea del liguido.
_____
··--
.. ·-~
_.·
'
E
"·
.. _,,_._
.:_._
__
, •
_-
11.14 Indicadores de liquido
11.15 Separadores de aceite
[sre dispositiYO
_Iill~_'J.~kU.
i
se instala ~u.la
Como el ace ire y el amoniaco no se mezclan,
1 .!:_efi·igel·anre. Tiene como objet in), determinar si
el aceite que llega al evaporador puede cubrir
1.1 c;\rga_<:!~!.Lc:frigeran~~f>~_~~~~~E~ld~:_(!~.~:iste la superficie de transferericia de calor. Su inm iscibilidad reduce, asimismo, la capacidad
~11.1.~~T~t~o.is:c.~!)n
~.!2J.~_U.~:~~~
_d~~.!ig~!}do.
Cuarldo
el refr igerunre li~ido fluve a tra\"(~sde la lidel refrigerante para retornar el aceite al cornpresor. Por estes motives, en los sistemas de
..~l~~~.;~~~!.
I~?·~Ii~:.~:.cj_\~~.E.~~~~1_iS~_.t~:~!l~]~~~g'D.r&~i.
arnon iaco siernpre se uti lizan separadores de
~.P':l:~E.~!~
....
~.~~E~.~~~l~~
..~_sJ.,;:!.~,
..i.n.di_<':iJ_llJA ..P-J!,_:;~~~c
ia
de un gas Y (Jue no tluve la cant idud adecuada
ace ire instalados en la linea de. descarga .
(Figura 11.26)
~g~!.~~~_£'~~:t_~?.Q.s:~!.':~i~~_uEu:;·)
~~
• .c_····_" ,_",":-..,.~._••.• ~"__.•.. ,_~ ......, •..•..•... ,._.. ~.• ,..,.-•. " ".. ,.__
., ,', ...... ' ""'~"'''''"''''''''
..,.'~ ,'"
" '_'_",-
.. ,,_._.
Accesorios y valvulas I 271
En muchos sistemas de halocarburos,
no es
necesario
utilizar separadores
de aceite. Se
puede aprovechar
la miscibilidad
natural del
aceite y el refrigerante
en el uso adecuaclo de
las tuber ias, para obterier un optimo retorno
del acei teo En tre los ti pas de sistemas en los
cuales puede ser necesario utilizar separadores de aceite, se encuentran
los sistemas a baja
temperatura,
ciertos tipos de evaporadores
inundados:
y los sistemas que experirnentan
amplios y subitos carnbios en la carga (una situacion que se encuentra can frecuencia en los
procesos de enfriamiento).
En la figura 1 1.27, se muestra un separador
de aceite para halocarburos.
El gas caliente y
el aceite que entran al casco se separan mediante una reducci6n
en la velocidad, efectos
de gravedad y desviadores
0 rejillas.
Cuando
se eleva el nivel del aceite (este es mas ligero
que los halocarburos),
la valvula de flotador
abre 1a via de retorno, y la presion del gas obliga al aceite a pasar a la linea de succi6n ..
Si el separador se encuentra en un lugar frio,
los refrigerantes
halocarburos
pueden trasla-
GAS CARGADO
DE ACEJTE AL SEPARADO.Ft
GAS DE. DESCAR9A
At. COUOENSAOQA
darse al separador
durante las paradas, para
alli licuarse y flu ir de nuevo al compresor.
Con
eJ fin de evitar esta situacion, ei separado r de
aceite se debe instalar cercano a la descarga del
gas caliente para que este dre ne a la linea de
succi6n y no al carter. Tarnbien puecle ser conveniente
aislar terrnicamente
al separador,
y
calentar el aceitc. Se puede asimismo uti l izar
una valvula COil trolada por la tern peratu ra, y
situada a la salida del retorno del aceite.
Puesto que el acei te es mas pesado que el
nmon iaco llquido, se drena desde el fondo del
separador.
Este separ ador del amoniaco y del
aceite se instala alejado de la descarga del cornpresor. La temperatura
mas fria reduce e l volumen del gas, mejorando
asi la separac ion.
Los separadores
de aceite dejan pasar una
pequeria cantidad de aceite, el cual se acumula
en el sistema y debe ser retornado.
En los sistemas de amoniaco, en los cuales el aceite es
mas pesado, se drena este ultimo desde el fondo de los evaporadores,
y de otros puntos del
sistema si es necesario. En el caso de los evaporadores
inundaclos que manejan halocarburos y acumulan
aceite, este sube a la parte
superior, puesto que es mas ligen) que clichos
refrigerantes.
El aceite se extrae de Ja parte superior mediante una conexion ubicada en un
punta apropiado.
11.16 Silenciadores de descarga
CASCO DEL 5EPAAAOR
DE ACEITE
AlSLAM1ENTOPARA.CONSEAVAn E.l. $OSRECAU;IITAMIElI10
Figura 11.27 Separador de aceite. (Reimpreso can
permiso de Equipment ASHRAE Handbook & Product Directory del ano 1979).
En los sistemas en los que es necesario reducir
el ru ido producido
par las pulsaciones del gas
de descarga, se instala un silenciador
en la linea del gas caliente (figura 11.28). Este silenciador contiene una serie de placas de desvio que
amortiguan
el ruido, y se debe instalar en una
Figura 11.28 Silenciador de descarga.
272 I Sistema de tuberfas para el refrigerante
linen vertical de tlujo descenclente,
nea horizontal, de maneru que
aceite.
en una lino atrape
0
11.17 Recibidores
Esre dispositive
(figura I J .29) ,fonsiste de un
~lqlle l~~~!!:!l.al'.1_1i!f.ena!:..~Lrefrig.eI'<U1te
Iiq u ~.~)_q~'_e._~.t_?
~~_ II til
.1!L<1.p.cra£i{m.lJ' J i l
--i.~il··g~l
total clland~~eI sist~ll1a no esta operando.
J
L~~~.~D
.
Si erc()J)ael1s~d()r
adernas, reparar el equipo sin perder nada de
refrigeran teo
11.18 Cambiadores de calor entre
liquido y succion
Este dispositive (figura 11.30) subenfria el refrigerante Iiquido que sale del condensador,
transfiriendo calor del misrno al gas de succion
que sale del evaporador, el cual a su vez se sobrecalienta.
Esre cambiador de calor entre el liquido y
la succion, se utiliza con uno 0 mas de los siguientes objetivos:
dispone de un volumen adecuado de almacennmiento, generalmente no es
necesario instalar l.l n recibidor por separado.
Es necesario disponer de suficiente espacio
uara dar cabida a los volumenes adicionales
•
ocnsionados pOl' las Iluctuaciones en la carga y
1. Para impedir la forrnacion del gas de vaporizacion siibita en la linea delliquido,
en el tlujo. Esto ayuda a evitar los efectos adal
subenfriar al refrigerante.
versos del flujo de retorno del Iiquido, 0 de privur ell' refrigerante al evaporador ..Los sistemas
2. Para impedir el flujo c1e retorno del liquido al compresor, mediante el sobrede (l!..!~~.e.~~~~que manejan cargas muy p-'e·
calentamiento del gas ere succion.
(J~'<;']}.~~~~ ...!)Q_l?!:esentan g1'anclesvariaciones
3. Para mejorar la eficiencia del sistema,
~!~clI·ga •.g.<;.L!SXtLllll.e..u.ts;._~e
disenan de manera
mediante el subenfriarniento del refrige{l!lS _.I.'!_<!.. .:!~<l.1L~f.£ilIi.Q_ll[ilizar lll.!~.cib idor.
Este recibidor sin'e asimis111o, para alojar
rante (capitulo 4).
t()"0.!~_!.;~_<::.arga
c~~~~~~~rel!ar
por
bornbeo" el sistema, 0 sea bombear torlo el reo
En un sistema que utilice refrigerante R-22, el
.ft:Tgel:;lll[ e.";.~L~~~pa;;;r~;·~"g~;-·;;Sr;·l'~;-~-~
n
carnbiador de calor se debe usar con precaucion.:
.~IFl-iE\~j::s{(Ji-;;pi~f; cuulqu ier migraci6n del
puesro que un exceso de sobrecalentamiento
refdgeranle durante las paradus. y perrnite
en In succion puede resultar asirnismo, .en eI
sobrecalentamiento de la "descarga\del com:
presor.
:....
11.19 Acumuladores de succion
Este dispositive (figura 11.3 J), se utiliza en los
sistemas que presentan problemas inherentes
de escurrimiento de liquido al compresor. y se
ENTRADA
":00 (gj{
SALIDA DE GAS
Figura 'J 1.29 Un recibidor y sus conexiones.
~:E~'
SALIDA DE LIQU1DO
Figura 11.30 Cambiador de calor entre liquido y
succi6n (del tipo de casco y serpentin).
.
. ,..1
i,
.J
,
Accesorios y valvulas I 273
de un acumulador de succion alivi ara el pro·
blema en ambos casos.
En este capitulo se tratan los diferentes ti pos
de valvulas que se usan en el sistema de r efr igeracion, con objetivos tales como: la seguri.
dad, el servicio, () para controlar la presion (J
la temperatura. Las valvulas de expansion y las
valvulas de regulacion del agua en los-coridensad ores, se tratan en otro capitulo.
11.20 Valvulas de solenoide
Figura 11.31 Acumulador de succi6n.
instala en 13 linea de succion. EI refrigerante
liquido se reline en el acurnulador, y se dosifica
su alimentacion al compresor, en forma segura
y controlada, EI aceite se retorna al carter del
compresor.
En algunas bombas de calor}' en los sistemas
que efecnian la descorigelacion mediante gas
caliente, se utiliza un acumulador en la linea
de succion. AI efectuar el cambio en una bornba de calor, el condensador enfriado pOl' aire,
que hasta ahora ha estado alirnentando refr igerante liquido a la valvula de expansion, 10
descarga subitarnente en la linea de succion,
cuando el condensador cambia a evaporador.
En un sistema equipado con descongelacion
pOl' gas caliente, se utiliza este gas a una pre·
sion elevada, para descongelar el serpentin del
evaporador. Esta operaciori puede obligar a
que una parte del liquido presente en el evaporador, se pase a la linea de succion. El us~
Se trata de una valvula accionada electricarnente (figura 11.32), que siempre se halla ya sea en
una posicion totalmente abierta 0 totalmente
cerrada, y no regula en absolute. La valvula tiene una bobina de solenoide provista de una
varilla de hierro dentro del nucleo. Cuando la
corriente electrica energiza la bobina, se crea
una fuerza electromagnetica que mueve a la
varilla de hierro. Esta varilla esta un ida a1 vastago de la valvula, produciendose asi la aper·,
tura de la misma. Las valvulas de solenoide se
utilizan en los puntos donde se desea dete ner
el flujo del refrigerante, como en las lineas de
Iiquido provistas de con trol de reduccio n de
presion.
I 1.21 Regulador de Ia presion de
succion
Esta valvula (figura 11.33), Hamada asimismo
regulador de la presion de carter, 0 valvula de reo
tencum limita la presion de succion a un valor
maximo preestablecido. Se utiliza en las instalaciones a baja temperatura, con el fin de evitar una elevada presion de succi6n durante el
descenso de temperatura 0 la descongelacion.
Como la demanda de la potencia al compresor
aumenta con la presion de succion, puede ocurrir una sobrecarga del motor si se permite que
la presion de succion aumente libremente.
La valvula se instala en la linea de sueei6n,
entre el evaporador y el compresor. La presion
del resorte tiende a abrir la valvula, mienrras
que la presion de salida (presion de succi on),
274 I Sistema de tuberias para el refrigerante
OJNEXION
CONDUIT
EMBOLO
~
ENTRADA
Figura 11.32 Valvula de solenoide.
tiende a cerrnrln. Cu,1I1do la presion de succion
aumenta 1ll,IS
de un valor preestablecido
de ln presion del resorte, la valvula se mueve
a una posicion m.is cerruda, disminuyendo
asi
In presion de succion.
..
an.i
11.22 Regulador de la presion del
evaporador
Esta valvula (figura I I.~H), limita la presion del
evaporador a lIll valor minirno preestablecido.
SI:' urilizu en los casos en que la temperatura
del evaporador se debe mantener por encima
de u n cierto nivel. Constiruyen
un ejemplo,
los enfriudores de agua. para impedir la COI1gelaci(m. Se riene otro ejemplo, en los serpeutines de enfri.uuiento del aire: en donde se
debe evirar la escarrha. En los sistemas equipados con Ull 1111l1lerOmultiple de evnporndores, se pueden utilizar los reguladores de
presion del evuporudor
con el fin de centrolur (ada evaporador a una temperatura
diferente (ver la seccion 1':2..7).
EI regulndor de presion del evaporador, esta
construido de manera similar nl regulador de
la presion de succion. y se instala en la linea
de succion, a la salida del evaporador.
La val-
RESOflTE DE AJUSTE
-ENTRADA
DISCO DE ASIENTO
Figura 11.33 Regulador de la presion de sucolon. (Reimpreso con permiso de Equipment
ASHRAE Handbook & Product Directory del ario
1979).
Accesor'ios y valvulas I 2!75
k1.L..L~$i
DISPOSITIVO
PARA
P-JUSTAR LA PReSION
ReSORe
DE AJUSTe.
FUELLE
SALIDA
~ORIFICIO
Figura 11~35 Valvula de clerre manual para refrigerante, def tipo de asiento posterior.
u.__'------U ENTRADA
11.23 Valvulas de cierre manual
esta total mente abierta, el disco de la misrna
se ajusta contra un segundo asiento (posterior),
el cual sella el vastago de la valvula contra la
presion del refrigerante, evitando as! las fugas
alrededor del empaque. Las valvulas de cierre
del refrigerante
se proveen a menudo con tao
pas selladoras que tambien protegen contra las
fugas. Es preciso remover la tapa para hacer
girar el vastago de la valvula.
Tarnbien se dispone de una valvula de cierre
para el refrigerante,
del tipo de diafragma sin
empaque (figura 11.36). No tiene empaque alrecledor del vastago, ya que el diafragma forma
un sella entre el vastago y el area de flujo, para
as! im pedir las fugas.
Estas valvulas se utiJizan para aislar partes del
sistema 0 del equipo, para dar servicio 0 efectuar reparaciones. La valvula de cierre manual
se construye por 10 cormin can un empaque
alrededor
de su vastago, para evitar fugas.
Cuando se utilizan para dar servicio al sistema,
generalmente
son del tipo de construccion de
asiento posterior (figura 11.35). Cuando la valvula
Vdloulas de seruicio del compresor. Se trata de
valvulas de cierre manual (figura 11.37), que
se instalan en las conexiones de succion y de
descarga del com presor, para darle servicio 0
efectuar reparaciones.
Esta valvula es del tipo
de asiento posterior, con un orificio en dicho
asiento. Este orificio se puede utilizar para conectar un rnanornetro de prueba de presion, sin
Figura 11.34 Regulador de la presion del evaporador. (Reimpresocon permiso del Equipment ASHRAE
Handbook & Product Directory del ano 1979).
vula se abre con la presion de entrada (en lugar de la presion de salida, como ocurre en el
regulador de la presion de succion). Cuando
la presion del evaporador se eleva por encima
de una presion preestablecida
del resorte, Ia
valvula se abre todavia mas, aliviando la pre·
sion del evaporador.
276 I Sistema de tuberias para el refrigerante
t ro. 0 cuando resulte inconveniente.
Se utiliza
asimismo para cargar refr igerante al sistema,
Se construye
de una manera similar a la valvula de una llanta, equ ipada con lIll pivote, y
se provee con una ro nex io n de manguera,
la
cual tiene un adaptador
especial que se ajusta
a la valvula.
11.25 Valvulas de retencion
':
u.
s
l'1
Figura 11.36 Valvula de cierre manual para refrigerante, del tipo de diafragma sin ernpaque,
permHlr fugns de la carga de refrigerante.
Cuando Iii \',1Intia se encuentru
total mente
nbiertu, el orifirio para conecrar el manomerro
est;'1 cerrado. Cuando Iii valvula haec contacto
COil cl asiento del frcute. est.i cerruda la conex ion a la linea, ~. el orificio para conectar el
manomerro queda abierto al cOl1lpresor. Cuando se descn leer la presion mnuomerrica
durante la operacion, se sigue el procedimiento
normal, que cousiste en poner 101 valvula en Sli
posicion posterior, couertar el manometro.
~.
11Iq~ohacer gil'ar liger.unenre
In v.ilvula.
Es ronuin instalar, nsimismo, una valvula de
derrt' manual en la linea del liquido en el condcusador: de maneru que se pueda nislar la carITa
del relriueranre
en este punto_ Se puede
t't
tJ
iusralar otru v.ilvulu manual en la linea del liqu ido, con el fin de cargar el sistema con refrigerante,
11.24 Valvulas Schrader
Esta dlnlla (fi[.\l.1ra 11.3H), se emplea para leer
la presi('lIl clIando no se utiliza tina \·~ll\'tIla de
St'lTirio con oriticio para conenal- el manome·
Las valvulas de retencion
se utilizan en las lineas del refrigerante,
en los casos en que es necesario impcdir el flujo de retorno. Se utilizan
v.ilvulas con operacion de resorte (figura 11.39),
las cuales se abren cuando se ejerce presion en
la direccion del flujo. Un caso que ya se discut io, es el que se retiere
a evitar la migracion
del refrigerante del condensacior al compresor,
a traves de la linea del gas caliente, Esto puede
ocu rrir durante las paradas, cuanclo el cornnre•
1
SOl' se hulla a una tem peru ttl ra mas baja que
la del condensador.
11.26 Valvulas de alivio
Las viilvulas de alivio (figura 11.40) son dispositives de seguridad que se utilizan para evitar el exceso de presion en el sistema 0 en el
equipo. Se conectan al condensador
0 al recibidor. y se abren cuando la presion es alta. La
salida de la valvula descarga a veces al lado de
baja del sistema, y algllnas veces debe descargar
al exterior, dependiendo
de los requisites que
senulan los codigos.
Las valvulas de alivio accionadas con resorre, tienen un resorte que mantiene cerrada la
valvula contra las presiones
normales. Existe
tumbien el t ipo de disco de ruptura, el cual se
rompe con el exceso de presion,
El/npon fusible es otro dispositive de seguridad, utilizado en los equ ipos de refrigeracion
que operan a altus presiones. Este dispositive
se funde a altus temperaturas,
alidando asi la
presit")11 en el recipiente.:\o
constituye un dispositiYO de seguridad de lapresi6n, puesto que
s610 se abre obedeciendo
a la temperatura, pero
Accesor ios y valvulas ( 277
CONEXiON A
LA LINEA
---
COMPAESOA
(a)
OONEXiON
ALA
_
LINEA
L
Figura 11.37 Valvula de servicio del compresor. a)
La valvula en posicion posterior. b} La valvula en
su posicion anterior.
CONEX'Or~A~
COMPRESOA
(b)
'1
T
----=+-~
vALWLA
ASENTADA Y
CERRADA
vALWLA
ABIERTA
( b)
Figura 11.38 Valvula Schrader. a) en posicion cerrada. b) en posicion abierta (con el vastaqo
oprimido).
.
l a}
Figura 11.39 Valvula de retencion del tipo operado
por resorte.
278 I Sistema de tuberias para el refrigerante
se utilicen el separador de aceite, silenciador
y cambiador de calor. En la figura 11.41 no se
muestran algunos dispositivos de control que
puede ser necesario utilizar, tales como las valvulas reguladoras de presi6n.
AJU5TE
ATMOSFERA
A51i;/lTO OE
LA VALVULA
11.28 Materiales para las tuberfas del
refrigerante
RESORTE
EN'TflAOA
COfUl/NTODEL-OIA,FRAOMA
j
ASIENTO DE
HUlE SI~lTETICO
DISCO OE
SALIDA,
Figura 11.40 Valvula de alivio de presion. (Reimpreso con perrniso del Equipment ASHRAE Handbook & Product Directory del ana 1979).
se utiliza como una proteccion contra incendios.
11.27 Valvulas de inversion
Las valvulas de inversion para el refrigerante,
se utilizan en las aplicaciones de las bombas
de calor, y para la descongelacion can gas caliente. En Ia operacion de una bornba de calor
se utiliza una valvula de inversion de cuatro
vias, can el fin de cambiar el sentido del flujo,
entre el cicIo de calefaccion'y el de enfriamiento. Las valvulae de inversion de tres vias se uti. lizan para la descongelacion can gas caliente.
La valvula desvia temporalmente la descarga
del gas caliente del compresor, desde el condensador hasta el evaporador, para proceder
a la descongelacion, Estos tipos de valvulas y su
operacion, se tratan en detalle en el capitulo 12.
La figura 11041, muestra la disposicion de
un sistema ED que utiliza halocarburos, as!
como la ubicaci6n de los accesorios. Por supuesto, cada accesorio solo se utiliza cuando
es necesario. Por ejemplo, es frecuente que no
La tuberia utilizada para manejar los refrigerantes halocarburos se fabrica, par 10 cormin,
de cobre 0 acero. La tu beria de cobre se puede
obtener en tres espesores de pared, conocidos
como tipos K, L, YM. EI tipo L es el que se utiliza con mayor frecuencia en los sistemas de
refrigeracion, EI tipo M tiene un espesor de pared dernasiado delgado para las presiones que
generalmente se manejan. E1 tipo K tiene un
espesor de pared mayor que eI necesario para
la mayoria de las aplicaciones. En la tabla 11.5
se muestran las especificaciones para la tuberfa de cobre del tipo L. En 1a industria de la
refrigeraci6n, el diarnetro de la tuberia se especifica por su diarnetro exterior (D.E.).
La tuberia de cobre se puede obtener con un
temple blando, 0 con un temple duro. El temple du- .
ro es mas rigido. La tuberia can temple blando
se puede forrnar con mayor facilidad, pero pue- ,
de pandearse y distorsionarse, dependiendo de
la forma en que se le sujete, En los sistemas
de refrigeracion es posible u tilizar tuberias can
ambos temples, dependiendo de la aplicacion.
Los costos de instalacion de 1atuberia tienden
a ser men ores cuando se utilizan los diarnetros
rnenores de la tuberia de cobre. Tambien son
menores en el caso de las tuberias de acero
de mayor diametro. E1 uso de la tuberia de
aluminio es comun en los equipos de menor
tamario, particularmente en los refrigeradores
dornesticos.
La tuberia de acero se utiliza con el arnoniaco, puesto que este ataca al cobre quirnicarnente.
En los sistemas de refrigeracion, generalmente se utilizan dos metodos para unir las tuber ias de cobre. Estos metodos consisten en la '
Accesorios
y valvulas I 279
Valvula de cmga
VET
Valvul" de
solenoloe
Condensador
gvaporaoor
tqutco-vnpcr.
Valvulas do sc:viclo
del ccmprcscr
Compresor
Figura 11.41 Ubicaci6n de los accesorios de un sistema ED de halocarburos. Los accesorios se utilizan s610 cuando es necesario. EI trazado de la
Tabla 11.5 Especificacionesde lastuberias de eobre,
(fipo L).
.....
Dlametro Diamelro exte- Diarnetru lnte- Espesorde
nominal,
riar, pulg
riar, pulg
la pared
pulg
:Va
112;
%
:y.
V2
%
:y.
7/a
11/e
lv..
1;'a
1'12
1%
2%
2
21/2
3
3V2
4
2%
5
5Vs
fiVe
aile
1Q1.1s
12%
G
8
10
12
3~1s
3%
4Va
Peso
IbJpie
Volumen,
gal/pie
0.430
0.545
0.660
0.785
0.035
0.040
0.042
0.045
0.198
0.285
0.362
00455
0.00753
0.0121
0.0181
0.0250
1.025
1.265
1.505
1.985
0.050
0.055
0.060
0.070
0.655
0.884
1.140
1.750
0.0442
0.0655
0.0925
0.1610
2.465
2.945
3.425
3.905
0.080
0.090
0.100
0.110
2.480
3.330
4.290
5.360
0.2470
0.3540
0.4780
0.6230
4.B75
5.845
7.725
9.625
0.125
0.140
0.200
0.250
0.280
7.610
10.200
19.300
30.100
40.400
0.9710
1.3900
2.4300
3.7900
5.4500
11.565
soldadura con estaiio (tambien se llama soldadura
blanda) y el uso de uniones abocinadas. Cuando
se procede a la soldadura, el tubo se desliza
dentro de un accesorio de union, como un
cople 0 codo. Se Iunde un metal de bajo punto
tuberia es esquernatlco. No se muestran las trampas, la inclinaci6n, las valvulae adicionales de servicio y control, los desvios, ni otros dispositivos.
de fusion, y se yierte en la union deslizante.
Cuando se solidifica, forma una union apm·
piada, resistente a la presion. Se utiliza una
pasta Hamada fundente, para impedir la oxi dacion y mejorar el flujo de la soldadura. EI termino soldadura fuerte se refiere al procedimiento
de soldadura que se efecuia con soldaduras que
se funden a aItas temperaturas (alrededor de
lOOOOF). Con la soIdadura fuerte se obtienen
uniones mas resistentes.
Cuando se desea hacer una union abocinada,
se abocinan los extremes de los tubos y se utiliza un juego especial de accesorios abocinados, los cuales se enroscan entre si para
obtener una union a prueba de presion. 'Si
bien una union abocinada es mas costosa, reo
sulta conveniente para hacer las conexiones en
los equipos, puesto que asi las reparaciones se
llevan a cabo can mayor facilidad.
La tuberia de acero se une ya sea por soldadura, 0 utilizarido tuberias y accesorios roscados (con cuerdas). Los detalles adicionales de
todos estes metodos, se pueden hallar en los
manuales de servicio e instalacio nes,
280 / Sistema de ruberias para e) refrigerante
11.29 Aislamiento de Ia vibracion
Las fuerzas originadas por el rnovirniento del
compresor producen vibraciones, las cuales
pueden transrnitirse al sistema de tuberias, ala
estructura del eclificio, 0 a ambos. En algunos
cases, la magnitud de la vibraciori es muy pc'
queria, y no produce efectos perjudiciales. En
otros cases, cuando no se procede a eJiminar
o amortiguar las vibraciones, estas pueden per·
judicar 0 causar graves darios al equipo 0 a 1£1
tuberia ..Pueden asimismo producir ruidos inaceptables.
Existen dos metodos generales para irnpedir que las vibraciones producidas por el cornpresor puedan transmitirse a la estructura del
edificio. Uno de ellos corisiste en montar el
compresor rigidamente, sabre una base rnaciza
de concreto. E1 concreto absorbe eficazmente
la energia de la vibraci6n. En el otro metodo,
se manta el compresor sobre aisladores flexibles
de uibracum, los que, a su vez, se fijan al piso 0
base de concreto. En tre los ti pos de aisladores utilizados, se encuentran los resortes helicoidales, soportes de hule y almohadillas de
hule 0 corcho. No importa eual sea el tipo que
se utilice para el aislamiento, la vibraci6n
transmitida se reduce a una cantidad insignificante.
Las vibraciones del compresor pueden transmitirse, asirnismo, ala tuberia del refrigerante.
A menu do estas vibraciones se pueden reducir
eficazmente, procurando que las lineas de sueci6n y descarga cerea del compresor formen
una espiral. Otra tecnica usa conectores flexibles. Se tratade secciones cortas de manguera
flexible, las cuales se instalan en las lineas de
tuberia, cerca del compresor.
En algunos casos, puede asimisrno ser necesario, utilizar soportes flexibles para las tuberias. Una secci6n curvada de hule 0 corcho
montada en un soporte rigido convencional,
puede resultar adecuada. En otros casos, se
podran utilizar soportes colgantes de resorte,
Cuando el ruido producido directamente por
el compresor y transmitido por el aire es ina-
ceptable, por 10 cornun se puede reducir mediante el uso de recintos acusticos 0 mediante
el tratarniento acustico de las superficies del
local.
Los problemas producidos tanto por la vi·
braciori como par el ruido, deben ser consultados con el fabricante del compresor, en 10 que
se refiere a los efectos y a las soluciones recomendables.
PREGUNTAS DE REPASO
L ,Cuales son las funciones de la tuberia del
refrigeran te?
2. ,Cual es el efecto general de la caida excesiva de presi6n en cualquler lfnea de refrigerante?
3. Describir el flujo tipico del aceite y del reo
frigerante
a traves de cada parte del
sistema.
•
4. ,Cuales son los efectos fisicos en la tuber ia,
que se utilizan para retornar al aceite?
5. Dibujar tres instalaciones correctas para
una linea de gas caliente: con el condensa- .
dor par encima, £11mismo nivel y por debajo del compresor.
6. ,Que precauciones se c1eben tomar, si el
condensador se halla en un lugar mas caliente que el compresor?
7. Dibujar la dis posicion de una tuber ia vertical para el gas caliente, de mas de ocho
pies de altura, y explicar el flujo del refrigeran te y del acei teo
S. ,Que problema se presenta en los tubos
verticales de los gases calientes, cuando un
compresor tiene descargadores? ,Cuales
son las dos posibles soluciones?
9. Dibujar y describir la operacion de una tuberia vertical doble para el gas caliente.
10. Dibujar la disposicion de urr separador de
aceite en la linea de c1escarga.
11. Dibujar tres instalaciones correctas de una
linea de succion: con el evaporador por encima, al mismo nivel y por debajo del cornpresoT.
Problemas I 281
e
.J
12. ~Que efeeto puede tener la caida excesiva
de presion en la linea delliquido? ~Por que
no es conveniente? ~Que medidas se deben tornar para evitar este problema?
13. ~Que es el "cambia de temperatura equ ivalente"? ~Por que es una rnanera conve-.
niente de expresar la caida de presion?
14. ~Que practicas de la conservacion de la
energia, se deben seguir en el disefio y la
instalacion de las lineas de tuberia del refrigerante?
15. c:Cuales son las funciories de un filtro
secador?
16. ~Cmiles son las funciones de un indicador de
Ifquido? ~Donde se debe instalar? ~Por
que?
17. ~Que problemas se pueden presentar con
el uso de un separador de aceite?
18. ~Cuales son los objetivos de un recibidor?
~Cuando no es necesario u tilizarJo?
19. ~Para que se utiJiza un cambiador de calor entre Iiquido y succion?
20. Explicar cuales son las funciones y aplicaciories de un acumulador de succion.
21. Describir la operacion y objetivos del regulador de la presion de succion.
22. Describir la operacion y objetivos de un
regulador de la presion del evaporador.
23. ~Que es una valvula de asiento posterior?
~Con que fin se utiliza?
24. Explicar el funcionamiento de una valvula de servicio de un compresor.
25. Explicar cual es el objetivo y operacion de
una valvula Schrader.
26. ~Cual es el objetivo de una valvula de alivio d~l refrigerante? c_Donde se instala?
27. Describir la aplicacion de una valvula de
.. inversion de cuatro vias.
28. ~Que materiales se utilizan en la fabricacion de las tuberias destinadas a manejar
refrigerantes halocarburos? c:En las tuberias destinadas a mane jar amoniaco?
PROBLEMAS
-h--..]
De un condensador sale refrigerante
R-22 a210 lb/pulg'' manomet y lOOOF_EI eva-
porador esta a 22 pies por encima del con densad or. La per elida por friccion en la linea del
liquido y sus accesorios es de 8 lb/pulg". ~Ten·
dra lugar la vaporizaci6n siibita en la linea del
Ifquido?
11.2 Un sistema de refrigeracion u til iz a refrigerante R-502, y opera a una presion de condensacio n de 250 Ib/pulg~ manomet.
EI
evaporador esta a 30 pies por encima del condensador, La perdida par friccion en la linea
del liquido y sus accesorios es de 8 Ib/pulg:!.
~Que cantidad de subenfriamiento del liqu ido
se requiere para irnpedir la vaporizaciori subita e9 la [inea del Ifquido?
1)-:"3 La temperatura de evaporaci6n en una
urfi'dad de refrigeracion que utiliza refrigerante
R·22 es de 30°F. La caida de presion en la linea
de succion es equivalente a 4°F_ ~Cl.l'alsera la
caida de presion en la linea de succion, expresada en Ib/pulg2?
11.4 Un sistema que utiliza refrigerante R·22,
tiene una carga de refrigeraci6n de diseiio de
46 toneladas. Las ternperaturas
saturadas de
succion y condensacion son de 40°F y 105°F,
respectivarnente. La tuberia es de cobre del
tipo L. Hallar el diarnetro requerido de la linea de succion, si la caida de presion de diserio
es equivalente a 2°F. . -~~ Iongi_t1JcleqlJ.lYE_I_~Dte
..-..~
de JJ.!._I_r..~l_~_~_liu~cion
es.cte_5_8 P.i~s11.5 Un sistema que utiliza refrigerante
R-12, tiene una carga de refrigeracidn de diseiio de 36 toneladas. Las temperaturas saturadas de succion y condensacion son de 14uF
y 102°F, respectivamente. La tuberia es de
cobre del tipo L. Hallar el diametro requerido para la linea de succi6n, si la caida de
presion de diserio es equivalente a 2°F, laJQD..=.-·
gi~~.<:.l_~qlliv_<l:lente
de la linea de succion es de
38 pies.
] 1.6 Un sistema que utiliza refrigerante R-22,
tiene una carga de refrigeracion de diseiio de
52 toneladas. Las temperaturas saturadas de
succion y coridensacion son de 32°F y 102IJF,
respectivamente.
La tuber ia es de cobre del
tipo L. Hallar el diarnetro requerido de la linea
de succion, si Ia caida de presion de diseiio es
---
282 I Sistema de tuberias para el refrigeranre
r
2'
1'
. Condensador .
40'
2'
12'
A
B
3'
7'
6'
Evaporador
: E\lnparadof
Compresor
Figura 11.42 Esquema correspondiente al problema 11.9:
Figura 11.43 Esquema correspondiente al problema 11.10.
equivalente a 3()F. I~J~D_gim.(L~uivalente de
la linea de succion es de 46 pies.
11.7 Un sistema que utiliza refrigerante R22,
tiene una capacidad de diserio de 38 toneladas.
La linea de succion consiste de 32 pies de tuberia recta, y cuatro codos de 90°, de radio largo, fabricados de tubo de eobre del tipo L.Las
tern peraturas saturadas de succion y condensacion son de 40°F y 120°F, respectivamente.
La caida de presion de diserio es equivalente
a 2°F. Hallar el diarnetro requerido de la linea
de succion.
11.8 Un sistema que utiliza refrigerante R-22,
tiene una carga de refrigeracion de diserio de
27 toneladas. El- ._-------.-----~---------.--.compresor tiene una capad·
dad de descargaque U.~gahasta el ~5 P?f ci_~_I!,to
de la carga total. Las ternperaturas saturadas
de succion y condensaci6n son de 20°F y
1lOoF, respectivarnente. EI sobrecalentarniento
en la succion es de 30°F, y el subenfriarniento
del liquido es de lOoF, Deterrninar el diametro maximo perrnisible del tubo vertical
de succion para obtener un arrastre adecua-
do del aceite. La tuberia es de cobre, del
tipo i,
11.9 Un sistema de refrigeracion que utiliza
refrigerante R-12, tiene una carga de diseno de;
78 toneladas. La temperatura saturada de sueciones de 20°F. La temperatura del Iiquido es
de 100°F. La carga minima es de 20 por ciento.
La caida de presion de disefio es de 2°F. La
tube ria es de eobre, del tipo L. La disposicion
de la Iinea de succi6n se muestra en la figura
11.42. Determinar el diarnetro de la lineade
succion y de los dos tubos verticales. EI gas
de succion esta a una temperatura de 50°F.
11.10 Determinar el diametro de la linea de'
Iiquido para refrigerante R·12, y el subenfriamiento requerido para evitar Ia vaporizacion
siibita, para la dispisicion mostrada en la figura
11.43_ La carga de diserio es de 34 toneladas.
La tuberia es de cobre, tipo L.La caida de pre·
sion de disefio es de 2°F. Las ternperaturas
saturadas de succion y condensacion
son de
40°F y lOooF, respectivarnente. Usaf una caida
de presion de 2 Ib/pulg2 en el filtro secador.
-
._,
!
:1
Capitulo
REFRIGERACION A BAJA
TEMPERATURA. M~TODOS
DE DESCONGELACION.
LA BOMBA DE CALOR
12.1 Problemas de la refrigeraci6n
a baja temperatura
Los sistemas de refrigeraci6n que operan a
bajas ternperaturas de evaporaci6n tienen caracteristicas y problemas especiales. En este
capitulo se tratan los metodos de descongelaci6n de los evaporadores, asi como las caracteristicas de refrigeraci6n y la descongelaci6n
de las bombas de calor.
Las bajas temperaturas de evaporaci6n conducen a problemas mas severos de operaci6n y
mantenimiento, as! como a un aumento en la
utilizacion de la energia, Entre los problemas
que habran de considerarse, se encuentran los
siguientes: una elevada temperatura de des carga del compresor, retorno de aceite, enfriamiento de los motores herrneticos, formaci6n
de escarcha, aumento de la capacidad del compresor, y mayor consumo de energia.
OBJETIVOS
El estudio de este capitulo perrnitira:
1. Identificar los principales problemas de los
sistemas de refrigeracion que operan a bajas temperaturas.
2. Dibujar y describir las disposiciones de los
sistemas de eta pas multiples, compuestos y
en cascada,
3_ Identificar y describir los metodos de descongelacion.
4. Dibujar y describir la operacion de una
bomba de calor de aire a aire, y de la valvula de inversion.
5_ Identificar los problemas y soluciones de la
bomba de calor basada en la refrigeracion,
6. Resumir el cicIo de descongelacion de una
bomba de calor.
Temperatura de descarga. La temperatura del
gas caliente, a la salida del compresor, aumenta a medida que disminuyen la presion de evaporaci6n y la temperatura. Esto se debe, como
se explic6 en el capitulo 4, a que se requiere
mas energia para comprimir el gas sobre un
mayor intervalo de presion. Esto aumenta el
calor de cornprension, y por consiguiente, la
temperatura de descarga del refrigerante. En
la tabla 12-1, se muestra la cornparacion entre
las diferentes ternperaturas de evaporacion, correspondientes a un cicIo ideal.
La temperatura excesiva del gas caliente
puede dar por resultado la descomposici6n del
283
284 I Refrigeracion a baja temperatura
Tabla 12.1 EI efecto que tiene la disminuci6n de la
temperatura de evaporaci6n,sobre la temperatura de
descarga del cornpresor", of.
J.
I .
Temperatura
Relecion
de
de
eveootecion
comptesion
40
-20
-40
3.3:1
11: 1
18:'1
Temperatura
de
descarga, of
175
280
320
Acumulacion de escarcha. Un evaporador para
el enfriamiento del aire, acurnulara escarcha
en el exterior del serpentin, en el easo de que
la temperatura de la superficie est€: pOl' debao
jo de 32°F. Sera preciso, entonces, efectuar una
descongelacion pericdica, a fin de evitar acumulacion de escarcha, Los metodos ernpleadoj
para llevar a cabo esto, se tratan mas adelanto
en este mismo capitulo.
"Cicio ideal. R-22. 120DF de temperatura de condensaci6n
aceite Iubricante, el deposito de carbon en las
valvulas, y la forrnacion de acid os. Debido a
esto, se puede tener un mayor mantenimiento, y un acortamiento de la vida del compresor. Se considera como limite una temperatura
de 300 a 325°F en las valvulas de descarga (alrededor de 275°F en la linea de descarga).
Se utiliza a menudo el enfriarniento auxiliar del compresor, para evitar e( sobrecalentamiento en la descarga. Con frecuencia se
utilizan ventiladores en las unidades pequefias,
a bajas ternperaturas de evaporacion, En los
equipos que funcionan con amoniaco, se usan
por 10 cornun eompresores can cabezales enfriados por agua.
Retorno del aceite y enfriamiento del motor. A medida que disminuye Ia presion de succion, disminuye asimismo, el flujo masico y la densidad
del gas de succion. Esto reduce la capacidad del
gas para hacer retornar el aeeite al carter.
El aumento en la viscosidad a bajas temperaturas, hace asimismo, que sea mas dificil
retornar e1 aceite. En los compl'eso1'es herrneticos, los cuales dependen del gas de succion
para enfriar el motor, el flujo reducido puede
no ser suficiente para mantener la temperatura del motor pOl' debajo de los limites de
seguridad.
Cuando se espera que el retorno del aeeite
sea inadecuado a bajas temperaturas de suecion, se utilizan los separadores de aeeite en
la desearga del gas caliente, para hacer que el
aeeite retorne directamente al carter.
Capacidad del compresor. A medida que disrni-'
nuye la presion de succion, disminuye rap ida.
mente la eficieneia volumetrica del compresor
reciproeante. Esto es, disrninuye el volurnen de
gas que es capaz de bornbear (capitulo 5). Ademas, la densidad del gas de succion, disminuye a medida que disrninuye la presion. De
aqu i resulta que la capacidad neeesaria del'
compresor (su desplazamiento) para uria carga dada, aumenta a medida que disminuye la
temperatura de evaporacion.
Eficiencia en la utilizacion de la energia. La disminucion de la temperatura de evaporacion
hace necesario efeetuar mas trabajo para cornprimir el gas, puesto que aumenta la razon de
com presion. Al mismo tiernpo, disminuye el
efecto de refrigeracion, Como se dernuestra en
eI capitulo 4, se tiene como resultado com-binado, una reduccion en la efieieneia de la
energia. Esto es, se requiere mas potencia pOl'
unidad de capacidad de refrigeracicn.
Sobrecarga del motor. Otro problema, que se
haee mas grave a bajas ternperaturas, es la posibilidad de sobrecargar el motor del compresoT. Cuando se arranea el compresor, la
temperatura y presion de succion tienen un
valor elevado. La demanda de potencia del
eompresor es rnucho mas elevada que bajo las
condiciones de operacion (a baja presion de
succion), y puede dar par resultado la sobrecarga del motor, Se puede usar una valvula reo
guladora de la presion de succion, 0 el control
de reduccion de presion, con el fin de lirnitar
la earga del eompresor.
Objetivos
12.2 Compresion
de etapas multiples
La com presion realizada en un solo paso 50bre el in tervalo total de presion, se llama compresion de una sola etapa. Al disminuir la
temperatura de refrigeracion, se lIega a un
punto en donde no resulta practice aIcanzar
la relacion de comprension requerida en una
sola etapa, por una 0 mas de las razones mencionadas anteriorrnente.
La solucion de estos problemas se obtiene
mediante la com presion en etapas, multiples, 0
sea la cornpresion realizada en una 0 mas etapas sobre el intervalo total de presion. A las
presiones tipicas de condensacion, la compresion de una sola etapa resulta practica hasta
una temperatura de aproximadamente
- 20°
a -30°F (de -29°C a -34°C). Por debajo de
esta temperatura,
se utiliza la compresi6n
en etapas multiples. Hasta aproximadamente
-70°F ( -57°C). se utiliza 1a compresi6n en
dos etapas. Desde esta temperatura, hasta aproximadamente
-120°F (- 84.0C), se utiliza
la cornpresion en tres eta pas. Se pueden utilizar mas etapas por debajo de esta ultima
temperatura. Sin embargo, existen otr os medios para llevar a cabo la refrigeraci6n, que
son a menudo mas practices a tem peraturas
extremadamente
bajas.
12.3 Sistema de compresi6n
compuesta
En la figura 12.1 se muestra la disposiciori de
un sistema tipico de cornpresion eompuesta,
de dos etapas, llarnado tambien de etapa directaoLa esencia qe este sistema estriba en que un
mismo refrigerante se com prime en dos etapas. La descarga de un compresor de erapa baja, a una presion intermedia, se entrega a la sueci6n de un compresor de etapa alta, el eual
completa la compresi6n sabre el intervale total de presion. EI refrigerante que procede de!
evaporador, se alimenta a la succi6n del C0111presor de etapa baja. La desearga del compresor
de etapa alta se alirnenta al coridensador.
E'laporador
Condensador
Compresor de
etapa alta
Nota: Por 10 general se requiere el enfriamienlo del gas caliente en A.
Figura 12.1 Sistema de compresion compuesta •
.de dos etapas (disposici6n basica). Generalmente
es necesario enfriar el gas caliente en el punta A.
285
Los intervalos de temperaturas que se han
mencionado, solo son aproximados. Al aumentar eI nurnero de etapas, se reduce la utilizacion de la energia a bajas temperaturas. A
medida que se elevan los eostos de la energia,
se haee cada vez mas econ6mico el uso de las
etapas multiples a temperaturas mas bajas, a
pesar de que los costos de los equipos son
mayores.
Existen dos tipos de disposiciones de cornpresi6n de etapas multiples: los sistemas compuestos y en cascada.
Control del flujo (VET,etc.)
Compresor de
etapa baja
r
286 I Refrigeracion a baja temperatura
12.4 Eliminacion del
es simplemente un cambiador de calor. Se uti.
lizan dos tipos generales: el tipo cerrado, y el
tipo abierto 0 de vaporizacion stibita. En Ia fi.
gura 12.3, se muestra una disposicion esqu-.
matica de tipo cerrado.
En la figura ] 2.4a), se muestra la dispos].
cion esquernatica de un enfriador intermedio
de tipo cerra do, en un sistema compuesto, de
dos etapas. La funcion de eliminacion del. so:
brecalentamiento
se combina a menudo COn
el subenfriamiento, como ocurre en este caso.
En la figura 12.4b), se presenta un diagrams
p-l: que muestra el cielo terrnodinamico correspondiente. EI gas de descarga, procedente del
compresor de elapa baja (4), se Ileva al deposito
del enfriador intermedio; de ahi pasa a la suecion de la etapa alta (5). Por tanto, se mantiene
al enfriador intermedio a la presion interrnedia. Una porcion de refrigerante liquido, a elevada presion, y que procede del condensador
(7), se envia al deposito del enfriador interrnedio. El Iiquido se evapora subitamente a un gas,
al caer su presion. El efecto refrigerante de la
vaporizacion subita, enfria (e1imina el sobrecalentamiento) el gas de descarga, en el punto
(5); esta es la coridicion ala cual entra a la sueci6n de la segunda etapa. El gas se com prime
hasta el punto (6), en el compresor de etapa
alta. El flujo principal del liquido a alta pre·
sion, circula a traves del serpentin del enfria-
sobrecalentamiento
!
1'.
La temperatura del gas de descarga, procedente del compresor de etapa alta, serfa excesiva
si no se Ie enfr iara entre las dos etapas (este
proceso se conoce como elirninacion del sobrecalentamiento). A veces se utiliza un cambiador de calor enfriado por agua para obtener
este efecto; sin embargo, la temperatura del
agua es a menudo demasiado alta como para
reducir la temperatura de una manera adecuada. Otro metodo consiste en util izar una
valvula de expansion para eliminar el sobrecalentamiento, como se indica en la figura 12.2.
Una cierta cantidad de refrigerante liquido se
inyecta mediante una valvula de expansion
a 1a linea de gas caliente procedente del compresor de etapa baja. En condiciones de baja
presion, el liquido se evapora siibitamente, enfriando as] toda la mezcla.
12.5 Subenfriamiento del Hquido
En los sistemas compuestos, el refrigerante liquido que sale del condensador generaJmente se enfria mediante el usa de un dispositivo
llamado subenjriador , 0 enfriador intermedio , 10
cual mejora.el funcionamiento del sistema, como se explicara mas adelante. El subenfriador
Evaporador
Valvula de expansion para
ehrninar el sobrecalentamienlo
Condensador
Compresor de
etapa baja
Compresor
etapa alia
Figura 12.2 Sistema de cornpresion cornpuesta,
de dos etapas, con valvula de expansion para eliminar el sobrecalentamiento.
de
Objetivos / 287
Liquido subenfriado
al evaporador
Liquido procedent
del eondensador
I
Ala succlon
del compresor
de etapa
alta
-o
J~
"""'1
)
(
)
(
)
~
Desearga del gas caliente, procedente
del compresor de etapa baja.
Figura 12.3 Enfriador intermedio del tipo cerrado.
dor intermedio, antes de pasar a la valvula de
expansion. Este Iiquido se subenfria por el
efecto de vaporizacion subita, desde el punta
(7) hasta el punto (1)
La mejora en el funcionamiento del sistema
de dos etapas, comparado con el sistema de
una sola etapa, es el resultado de varios factores. El subenfriamiento delliquido aumenta el
efecto de refrigeracion. EI gas de vaporizacion
subita que se forma por el subenfriarniento y
la eliminacion del sobrecalentamiento, solo se
.comprime a traves de la etapa alta, reduciendo asi la potencia al compresor. Finalmente,
la eficiencia de compresi6n (Ia relaci6n entre
la potencia te6rica requerida y Japotencia real
requerida) es mas elevada para cada compre·
sor, puesto que mejora con las relaciones de
cornpresicn mas bajas.
El desplazarniento total del compresor es
asimismo, mas bajo en el sistema de etapas
multiples, puesto que la eficiencia volumetri-
e
ca aumenta con la relaci6n decreciente de compresion.
Se utiliza la potencia minima cuando ambos compresores tienen la misma relacion de
compresi6n. Esto es, si la relaci6n de com presi6n del sistema es de 16 : 1, generalmente se
debe elegir cada etapa con una relaci6n de
eompresi6n de <1 : 1 (a menos que exista una
earga en las condiciones intermedias, que r equiera una proporci6n diferente de Ia capacidad del compresor).
EI compresor rotatorio se usa con frecuencia como compresor de etapa baja 0 "r eforzador". Esto se hace debido a que puede
manejar gran des volurnenes de gas. EI flujo volumetrico del refrigerante es mucho mayor a
la presion de evaporacion, que a la presion intermedia. En el caso de capacidades muy grandes, se pueden usar compresores centrifugos.
En el caso de cargas pequefias, se dispone
de compresores reciprocantes de dos etapas (figura 12.5). La descarga de un grupo de ciIindros (en la etapa baja) se hace pasar a traves
de un tubo de distribucion externo, hasta los
eilindros restantes (la etapa alta). EI refrigerante se subenfria entre las etapas mediante
una valvula de expansion, la cual elimina el sobrecalentamiento. Se puede asimismo intercalar un enfriador intermedio, como ya se ha
descrito.
Adernas del enfriador interrnedio cerrado,
se dispone de un enfriador intermedio del tipo abierto, can vaporizacion siibita (figura
12.6)_La totalidad del refrigerante liquido a alta presion, se envia al tanque de vaporizaci6n
subita. La elirninacion del sobrecalentamiento del gas y el subenfriamiento del liqu ido tienen lugar par la vaporizacion subita de una
pequeria cantidad del Iiquido, de la misma rnanera que en el caso del enfriador intermedio
de casco y serpentin.
E! enfriador intermedio del tipo de vapor izaci6n subita, subenfrfa mas el liquido que
el de tipo cerrado. Esto se debe a que no existe ninguna diferencia de temperatura entre el
Iiquido en e! recipiente y el que esta en el ser-
288 ! Refdgeracion a baja temperatura
Condensador
Evaporador
7
;'::
i
v.
:,',1·
5
L
".:
,i,;
;i!:~
(i.;;(
2
Valvula de
expansion
6
I
i1. I;·'·i'.'I.
''''·':11
j~~~;il!
~~~IHi;jl
l~:I,d'
l~hiil
Ig'jC!'j
bl:dil
Enfriador intermedio
4
3
Compresor de
etapa alta
Compresor de
etapa baja
a)
Subenlriamento
O-::I....!..o---------I----tl6
\
/)\
c
'iii
/
'0
Descarga en el caso de la compresion
de una sola etapa (250°F)
/
Ill·
tt
Eliminacion del sobrecalentamiento
en el enfriador intermedio
Figura
12.4
Com presion com-
puesta de dos etapas con enfriador intermedio del tipo cerrado.
Entalpia
b)
a) Disposicion del sistema. b) EI
cicio con el diagrama p-h.
Objetivos I 289
puede que no sea suficiente para accionar la
valvula de expansion. Adernas, el Iiquido que
sale del tanque de vaporizacion siibita no se
subenfria, y por 10 tanto se debe tener cu idado de que no se vaporice subitarnente antes de
llegar a la valvula de expansion. Puede ser necesario instalar un cambiador de .calor
adi.
.
cionaL
EI sistema de tres etapas se distribuye de la
misma manera que el de dos etapas. No rmalmente se utilizan enfriadores intermedios entre las etapas.
Figura 12.5 Compresor reciprocante de dos etapas. (Copeland Co.)
pentin. Por otra parte, el liquido, hasta el disde expansion se halla a la presion
intermedia, y no a la de condensacion, Esto
puede motivar que sea necesario utilizar una
valvula de expansion de mayor capacidad, 0
en casos extremos, el diferencial de presion
positive
,
Uquido procedente
del ccinderisador
;
,
12.6 Sistema tipico de dos etapas y sus
componentes
En la figura. 12.7, se muestra la dis posicion
de un sistema cornpuesto de refrigeraci6n, con
expansion directay dos etapas, adem as de los
accesorios tipicos necesarios. EI uso y las caracreristicas de estos accesorios se describen en
otra parte del texto, pero ahora sf: reseii~ran
brevernente en relacion
con los sistemas de ba.
ja temperatura.
..;.
A la solucci6n del
compresor de etapa alta
,
'
Oescarga del gas procedente
del compresor de etapa baja
;:' .
"
J:r
q
Uquido subenfriado
al evaporador
Figura12.6 Enfriador lnterrnsdlo abierto (del tipo
de vaporizaci6n subita),
.,
~
290 I Refrigeracion
a baja temperatura
Acumulador en
la linea
VET
Valvulas de
solenoide
Evaporador
Regulador de
la presion
de succion
la linea
de succlon
-:.-:.:-
Compresor de
etapa baja
Compresor de
etapa alta
Figura
12.7 Dlsposiclon de un sistema compuesto, de dos etapas: equipado con enfriador intermedic) li'po cerrado, y valvula de expansion para
eliminar el sobrecalentarnlento.
.
Ell el control de rcduccion de presion se utiliI.a una ualuula de solenoide I'll la / [Ilea dell iqu ida.
Esta valvula se instnla antes de la valvula de expansion para eliminar el sobrecalentamiento.
El refrigerante se bornbea desde el evaporador
hasta el condensador y el recibidor durante
las paradas, y luego se aisla mediante el cierre
de la v.ilvuln. Se evirn nsi ln eie,;.idh presion de
succion, y la sobrecarga resultante del motor,
en el arranque.
La valvula de expansion para eliminar el sobrecalentamiento se utiliza para vaporizar
subiramente una porcion del liquido, enfriando asi
el gas caliente que sale del compresor de etapa
baja. Adermis. el liqu ido presente en el circu ito, hasta el e\'aporador, tambien se subenFria. Se utiliza un acumulador de Sl/('CiOIl, para
Clrrapar cualqu ier Iiqu ida, aceire, 0' refrigerante, e irnpedir que entre a la succi6n del
com presor,
! f'
La valvula reguladora de Lapresion de succion (valvula restricta) limitala presion maxima de sue;
cion, protegiendo asi contra 1(1sobrecarga del
motor.
Elfiltro
en la linea de succum, elimina cualquier
particula extraria, antes de que Begue al cornpresoI'.
Seutiliza un separador de aceite con el fin de reo
tornar la mayor parte del aceite directarnente al
carter, puesto que el retorno del aceite a traves del
sistema, es dificil de lograr a baja temperatura .
.;
..
.:....,-.
Se instala 1I11Glinea de cOlllpensacioll
del aceite equ i~
pacta can una valvula de flotador del lado de
alta, 0 con una tramp a entre cada caner de los
cornpresores. Esta disposicion asegura que cadn cornpresor tenga un suministro sufieiente
de aceite. La \,aJ\ula, de flotador se usa con el
fin de mantenerel
nh'~Lap,ropiado de~ceit~
Objetivos I 291
en eI compresor de etapa alta. EI exceso de
aceite se drena al compresor de etapa baja,
cuando se eleva el nivel del flotador, aseguran·
do aSI una cantidad adecuada de aceite para
ambos compresores. Si la linea de compensacion del aceite se utiliza sin la valvula del flo- .
tador, la diferencia de presion puede evitar
el retorno del aceite a uno de los compTesores.
12.7 Sistemas de temperatura
multiple
Existen muchas aplicacionesen donde se tienen car gas separadas, cada una de elIas a una
temperatura diferente. Las industrias de procesamiento de alimentos y su venta al menudeo, can frecuencia precisande una situacion
como esta. Con el fin de reducir la cantidad
de equipo, se pueden conectar dos 0 mas evaporadores a un solo compresor, en lugar de utilizar sistemas separados. Esta disposicion se
conoce como de usa multiple. En la figura. ] 2.8,
se muestra un metodo para conectar dos evaporadores a un solo compresor, de manera que
se puedan mantener diferentes temperaturas
en cada uno de ellos.
Se utilizan valvulae de expansi6n individuales, para alimentar a cada evaporador.
A la salida del evaporador que se halla a la
temperatura mas alta, se instala un regulador
de presion con el fin de mantener la presion
de succion requerida por el evaporador. La operadon del compresor se controla mediante un
control de baja presion, ajustado para manteo
ner la presion de succiori requerida por el evaporador de baja temperatura.
Se instala una valvula de retencion en la Ifnea de succion que procede del evaporador a
baja presion y temperatura: De esta manera se
impide que el gas de succion, a alta presion,
retorne a la unidad a baja presion. Esto podrIa
elevar la presion a un nivel inaceptable. Ademas, este gaspodria condensarse en la uriidad
a baja temperatura, cuando se pare el sistema,
ocasionando un escurrirniento del lfquido durante el arranque.
.Sin embargo, la valvula de retencion origina un problema adicional. Esta valvula perma·
necera cerrada hasta que elcornpresor haga
bajar la presion en la ·Uhidad a alta temperatdfa~Por consiguiente, es ne~e~~ri()Jill1itar;'a
cerCf,((:je1£1 mitad, la proporcion de la capacidad~(~'t~lde la~6nidCidesa alt~ te~p-eb1lira~co~·
Evaporador a
alta temperatura
(20°f) .
Condensador
Evaporador a
baja temperatura
Valvula de (10° F)'
relenclon
..
baja presion
Figura 12.8 Disposici6n de dos evaporadores a diferentes temperaturas y que utilizan un solo campresar (usa multiple).
-._'
292 I Refrigeracion a baja temperatura
";
.:
nect.adas al sistema. De esta maner a, se alcanzan en un tiempo razonable, las condiciones
de Ia unidad a baja temperatura, despues de
cada periodo de arran que. En caso de que la
capacidad de la unidad a baja temperatura sea
pequeiia, se puede presentar otro problema.
Se trata del ciclaje frecuente cuando la carga
queda satisfecha en las otras unidades. Por suo
puesto, que este problema sera menos critico,
si eJ compresor tiene dispositivos de control
de capacidad para la carga parcial.
1']11so multiple es, de un modo inherente,
un medio que desperdicia energia, al.disponer
los evaporadores a diferentes temperaturas; ya
que el compresor debe operar a la presion de
succion mas baja requerida, y los reguladores
de presion del evaporador (RPE), deben pro·
veer el estrangulamiento de los evaporadores
apresiones elevadas. En la figura 5.18 se pue·
de verque en un compresor, elBhpltonelada sedu".
plica con un cambio en Ia temperatura de suc-:·.:.;
cion de aproximadamente 30 a -IODF. De aqui
\
se deduce que, si se utiliza el usa multiple, no
'ii
.-···.·1
se deben entremezclar evaporadores que presenten grandes diferencias de temperatura.
Por ejernplo, cuando se maneja equipo para Ia
venta de alimentos al menudeo, los exhibidores de alimentos congelados (alrededor de OOF) .
no se deben extramezclar en uso multiple
con los exhibidores de carne (alrededor de
35°F).
12.8 Sistema compuesto para dos
ternperaturas
EI sistema de compresion compuesta se presta .•
a las aplicaciones en donde existe, tanto una carga a una baja temperatura, como otra a una alta, '.
temperatura. Esta disposicion se muestra en la '
.figura. 12.9. A veces se Ie llama sistema de reo
.:-;
\
;!
. Eyaporador a
. baja temperatura
Subenfriador del Hquido
~lJ
Evaporador a
alta temperatura
n:1':j'ji
H~J~l!
·:~t;:;;~.
Condensador
Compresor de
alia presion
Figura 12.9 Disposlcion de dos evaporadores a diferentes temperaturas, con compresores de etapa
baja y etapa alta (Sistema reforzador).
~!i' !,
I.!i ,m
Objetivos , 293
fuerzo, Se utilizan evaporadores a alta y baja
temperatura, controlados por separado. La sueci6n del evaporador a alta temperatura pasa al
compresor de alta presi6n. Las capacidades de
los compresores se evahian de acuerdo con sus
cargas correspondientes,
12.9 Sistema en cascada
Este metodo de refrigeraci6n de etapas multiples para bajas temperaturas utiliza dos sistemas separados, cada uno con su propio
refrigerante. Esta disposicion se muestra en la
figura 12.10.
La relaci6n en tre las dos etapas del sistema
global, consiste en' que el evaporador del sistema de etapa alta, llarnado amdensador de cascada, sirve como condensador para el sistema
de etapa baja. El refrigerante que se evapora
en el condensador de cascada, a una temperatura intermedia enfria y condensa el refrigerante que precede del compresor de etapa baja,
basta Ilegar a unos pocos grados de la temperatura correspondiente ala presion intemedia.
La relaci6n de compresi6n tanto delos corn',.,'
.
•
,,'
"
•
, , ;-;
"~;'
-,J,
....----~---;---I Condensador
(1 DD°F)
(R 12)
Coridensador en cascada
(Oondensador-evaporador)
{R-131
Evaporador
(·1DO°F)
C'ompresor de
etapa baja
Figura 12.10 Dlsposlcion de un sistema de dos etapas en cascada.
presores de etapa baja, como de etapa alta, se
mantiene por consiguienle a un valor bajo, reo
tando as! en una ventaja de Ia eficiencia de
la energia, sobre la com presion de una sola
etapa.
EI sistema de cascada posee ciertas ventajas
sobre el sistema compuesto. Como en cada circuito se utiliza un refrigerante distinto, es po·
sible seleccionar para cada etapa, aguel
refrigerante cuyas propiedades sean mas adecuadas para cada intervalo de temperatura. Por
ejemplo, el R-12 tiene una presion de conden·
saci6n razonablemente baja en las condiciones
de 1aetapa alta (ambientales). Por corisigu iente, no es necesario utilizar equipo de mayor reo
sistencia en ellado de alta. Sin embargo, a las
condiciones de evaporacion de la etapa baja,
su presi6n es menor que la atmosferica, Esto
puede crear problemas de una posible en trada de aire al sistema. En el sistema de compre·
si6n compuesta esta situaci6nseria inevitable,y see
ria preciso recurrir a las purgas. En el sistema de
cascada, es posible utilizar en el equipo de etapa baja, un refrigerante como eJ R-13, que po·
see una presion de saturaci6n mas elevada. Por
ejemplo, a -50°F, la presi6n de saturaci6n de
R-13, es de 71.7 Ib/pulg2 abs, mientras que a
la misma temperatura, el R·12 tiene una. pre~
si6n de 7.1 Ib/pulg2 abs.
Existe otra ventaja, y es que con el sistema
de cascada se puede seleccionar un refigerante que tenga un bajo volumen espedfico, manteniendo as! el desplazamiento requerido del
compresor a un valor bajo. Por ejemplo, el vapol' saturado del R·13 tiene un volumen espe,·
cifico de 0.5 pies ctibicos par libra, a -50°F,
mientras que el volumen especifico del R~12
es 10 veces mayor.
Existe una caracteristica indeseable, que reo
sulta de utilizar un refrigerante con una presi6n elevada a bajas temperaturas; 10 cual
puede causar que la presi6n resulte excesivamente alta, a condiciones. ambientales. Por
ejemplo, la presi6n del R·13 en su estado saturado, es de 80°F a 535 Ib/pulg2 abs. Esta presion
requerirfa un equipo de construcci6n mas ro-
294 I Refrigeracion
"!,
r·,;'-
a baja temperatura
busta, elevando asi los costos de un modo inaceptable. Para evitar las presiones excesivas
cuando se para el sistema, se utiliza un tanque
de expansion, de almacenamiento. Cuando se
eleva la presion, una valvula de alivio permite
la salida del gas del sistema a este lanque.
Debido al hecho de que necesariamente
existe una diferencia de temperatura a traves
del cambiador de calor del condensador de cascada, puede ser que .la eficiencia del sistema
de cascada no sea tan buena como la de un sistema compuesto comparable.
.l},C
11:;:-
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:~I~;
"
METODOS DE DESCONGELACION
:dFij
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12.10 Necesidad de efectuar la
descongelaci6n
'lil.l
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EI vapor de agua que se separa del aire por
condensacion mediante un serpentin de enfriamiento, se acurnula en la superficie de este serpentin, Si la temperatura en la superficie
del serpentin se halla por debajo de 32°F, el
agua se congelara para formar hielo 0 escarcha en el serpentin. En la mayoria de las aplicaciones de. la refrigeracion (opuestas al aire
acondicionado), la' temperatura de evapora·
cion del refrigerante es 10 bastarite baja como
para que se forme escarcha sobre la superfide de la tuberia,
La escarcha tiene dos efectos indeseables
que reducen la capacidad de enfriamiento.
Aumenta .la resistencia terrnica a la transferencia de calor, y se acurnula tanto sobre la
tuberia como sobre las aletas, .reduciendo asi el
espacio entre ]05 tubos. Esto causa una disminucion del flujo del aire, 10 que produce
asimismo una reduccion en la capacidad de
enfriarniento. .'
Para evitar que ocurra este problema, las
unidades de enfriamiento por aire sujetas a la
forrnacion de escarcha, se descongelan periodicamente. E] hieloy laescarcha no solo se deben remover de la superficie del serpentin,
sino asirnismo de otras partes de la unidad
donde pueden formarse, como son las bancle.
jas de drenaje y las cornpuertas de aire.
Metodos de desconoelacuin. La descongelacion se
lleva a .cabo "calentando aquellas partes de la
unidad que 10 requieren. EI hielo se derrite y
luego se drena el agua. Existen diversos meto.
dos y Fuentes mediante los cuaies se sumi nis.
tra el calor. Se pueden cIasificar como sigue:
1. Descongelacion por aire (para del ciclo).
2. Descongelacion. con aire caliente.
3. Descongelacion mediante atomizacion de
Jiquido.
4. Descongelacion con salmuera caliente. ,
5. Descongelacion con resistencia electrica,
6. Descongelacion con gas caliente.
Cada uno de estos metodos posee caracteristicas que los hacen mas 0 menos adecuados
para'Jas diferen'tes apIicaciones, como se describen a continuacion, Los metodos de descongelacion utilizados con las bombas de calor se
trataran por separado ... :.
12.11 .Descongelacion por aire
(paro del cicIo)
:',:
",1.
EI metoda ma~senCifIo para efectuar la descongelacion pOl' aire, consiste en parar el sistema
de refrigeracion y perrnitir que el evaporador
se descongele por la captacion de calor procedente del medio arnbiente, ocasionandose una
conveccion natural de aire a traves de las tu-...
berias. Este metodo, que se utiliza con frecuencia en l'as refrigeradoi-es domesticos, puede
tomar mucho tiempo.
En las unidades equipadas con ventiladores,
cuando el compresor se para, los ventiladores
siguen haciendo circular el aire ambiente a traves del evaporador, Generalmente, la descongelacion por aire solo es conveniente cuando
la temperatura ambiental es mayor de 30oF; de
otra manera, la descongelacion resulta demasiado lenta y la temperatura puede aumentar
muy por encima de la condicion de diseiio.
Metodos de descongelacion I 2:95
Otra limitaci6n es que la hurnedad presente en
el serpentin retorna al arnbiente, aumentando
su humedad. Este metodo puede resultar inaceptable cuando debe mantenerun bajo contenido de humedad.
EI per iodo de parada para efectuar la descongelacion, puede ser solamente el tiempo
durante el cual el cornpresor se halla normalmente fuera de operacion debido al control
terrnostatico en la habitacion. Los periodos de
descongelacion pueden asimismo controlarse
efectivarnente mediante un regulador de tiernpo, ajustado para un tiempo predeterrninado.
Tambien es posible controlar por temperatura
o presion. Los con troles para efectuar descongelacion se trataran con mayor detalle despues
de que se hayan descrito cad a uric de los merodw.
.,
12.12 Descongelacion con aire
caliente
~
:,
Con el fin de acelerar el proceso dedescongelacion, se puede utilizar aire caliente enlugar
del aire ambiental recirculado. A veces, cuando se encuentra disponible, se utiliza aire caliente procedente de un espacio adyacente, el
eual se conecta a la unidad mediante un sistema de ductos. De otra manera; se recircula dentro de la unidad aire que.se calienta mediante ..
calentadores electricos 0 gas caliente. La .cha- .
ro1a de drenaje tambien se debe calentar si la
temperatura es inferior a 32°F (O°C).
12.13 Descongelacion mediante
atornizacion de liquido
En este metodo, se rocia agua 0 salmuera sobre los serpentines, con el fin de derretir la
escarcha. Se utiliza agua si la temperatura ambiente es superior a OOF (-18()C). Si la temperatura es inferior a esta, el agua puede congelarse
sobre los serpentines y se utiliza salmuera en
su lugar. La tuberia del agua debe estar dispuesta de tal manera que drene rapidamente, evitando asi que el agua se congele en la tuberia.
Cuando se utiliza salmuera, esta se diluEs practica eormin reconcentrar la salmuera, para proceder
a su reutilizacion. La salmuera diluida se rccoge y se calienta para evaporar el exceso de
agua.
ye con la escarcha derretida.
12.14 Descongelacion con salmuera
caliente
En un sistema de refrigeracion que utiliza s almuera frla en el serpentiu para el enfriamento del aire, la deseongelaci6n se puede llevar
a cabo calentando la salmuera y haciendola circular par el serpentin, una vez que se para el
compresor.Se puede utilizar cualquier fuente
de calor que resulte adecuada. EI agua de condensacion constituye una fuente de calor que
conserva la energia, y que debe tomarse. en
euenta.
"
12.15 Descongelacion conresistencia
-electr'ica
. ,"
f
:
".~"
l'"- :
En el caso de' 'que se utilice una resistcncia
electrica como elemento de calefaccion para
descongelar los evaporadores, el elemento calefactor puede fijarse ala superficie exterior del
tubo provisto de aletas. Otra disposicion utiliza una varilla ..que internamente contiene el elemente :calefactoI-. Esta-varilla se inserta en la
tuberia del evaporador, y se fija a la pared
del tubo mediante las aletas. EI calor generado
fluye por lasaletas interiores, hasta leipared ex'terior del tuba, derritiendo asi la escarcha. Las
.charolas y lineas de drenaje se calientan asimismo por medio de elementos calefactores
electricos, para impedir que tenga lugar la congelacion en estos componentes.
La descongelacion electrica constituye un
rnetodo costoso, que desperdicia la energia. Se
utiliza principalmente en los refrigeradores dornesticos yen las pequerias unidades comerciales. Aun en este caso, resulta inconvenien te
des de el punto de vista de la conservacion de
la energia.
'
296 f Refrigeracion a baja temperatura
12.16Descongelaci6n con gas caliente
.
;
Para efectuar la descongelaei6n por este rnetodo, se utiliza el calor disponible del gas de desearga del compresor. El gas caliente se haee
circular hasta el serpentin del evaporador,
cuando es necesario desconge]arlo. En algunos
casos, s6]0 se utiliza el sobrecalentarniento sensible del gas caliente. En otros, e1 gas se condensa en el evaporador, haciendo uso del calor
adicional disponible que procede del calor latente de condensaci6n.
En la figura 12.11 se muestra el circuito basico de un sistema de descongelaci6n con gas
caliente, en eI cual este se condensa en el evaporador, Se provee una linea de desviaci6n para el gas caliente, la euaI va directamente desde
el compresor hasta la entrada deI.evaporador.
Cuando es necesario descongelar, se abre una
valvula de soJenoide en la linea de desviacion, y el gas caliente fluye al evaporador, iniciando d. proceso de descongelacion, Para
impedir el flujo inverso del Iiquido a alta presion durante la descongelaci6n, se coloca una
valvula de retenci6n en la linea del condensador.
Es conveniente instalar un acumulador en
la linea de sucd6n para captar el gas caliente
condensado, y evitar la penetraci6n de porcio.
nes de Iiquido al compresor y el consiguiente
golpeteo durante el arranque. Es convenien.
te asimismo, instalar un regulador (Iavalvula
restrictiva), a fin de limitar la presi6n de sueciony reducir asi la carga del motor durante
el arranque. Como. esta valvulasirve, adernas,
como un dispositivo reductor de presion, el ljquido que entra se vaporizara siibitamente a
un gas. Esto ayuda a evitar el retorno del Iiquido al compresor.
.,.
Con. frecuencia tarnbien se utilizan otros
medios para reevaporarcualquier cantidad de
liquido que salga del evaporador durante la
descongelaci6n. Una parte del gas caliente se
puede enviar directamente a Ia linea de sue,'
cion , 0 tarnbien se Ie puede aplicar el calor
externamente. En este caso es conveniente calen tar por medio de una ~esistencia electrica,
En el sistema basico que se acaba de describir,
Ia cantidad de calor disponible para la descongelacion esta limitada al calor decompresion, puesto
que no se capta ningun .calor en e1evaporad~f,
durante la descongelaci6n. Una vez que se ha
Condensador
retancion
. Valvula de'
solenoide
. ,\
Compresor
Acumulador
Figura 12.11 Circuito baslco de desconpelacion,
con gas caliente.
.
Metodos de descongelacion I 297
condensado todo refrigerante, no se dispone
de calor adicional para la descongelaci6n.
En el caso de un sistema provisto de un evaporador que utiliza Ia descongelaci6n can gas
calienta, se requiere a menudo calor suplernentario, a fin de suministrar suficiente descongelaci6n. Se puede utilizar ya sea una fuente
externa de calor, a el calor almacenado por el
mismo sistema durante el cielo normal de reo
frigeracion, Es posible utilizar diversas variantes, las cuales estan patentadas par algunos
fabricantes. Se describen, can fines ilustrativos,
dos de estos metodos. Si bien otros metodos
estan asimismo bien establecidos, por brevedad
no se describen en esta obra.
AUtodo de la fuente de calor suplementario. En la
figura 12.12 se muestra un sistema de descongelacion con gas caliente que utiliza, asimismo, una fuente de calor suplementaria. A
este sistema se le llama a veces sistema de gas
caliente de doble tuberia. En la figura 12.12 (a)
se muestra el circuito de flujo del refrigerante durante el cicio normal de refrigeracion , y
en Ia figura 12_12(b) el circuito de flujo durante la descongelaci6n.
TERMOSTATO
TERMINAL
TERMOSTATO_
TERMINAL
__,~.,-;.":I,-,:
~~~~';"n.Lo:,.~·
...
~;''''''':l1\~,-::r,
.
VALVULA DE
I
N
EVAPORAOOA
,CHAROLADE DRENAJE
VULA DE AETENCION
VALVULA
--r-:~_, ......----:..
VALVULA DE AETENCION
DE LA OESVIACION
LINEA
DE SUCCI6N
, LINEA OEC·.{
SUCCION ,)
OJ
.. VALVULA
:; DE SOLl;- "
,~ NOIDE DE ,"
~ TRES VIAS "
CONDENSADOR·
.l!lt~_.
.-~~~!"
..2,:
VALVULA·DE
RETENCION
VALVULA DE
SOLENOIDE DE
DESCONGELACION
COMPRESOR
3@•
ABIERTA
j:
(a)
RESISTENCIA.CONTROLADO
POR ESTADOSOLIDO (CR5f
Figura 12.12 Sistema de desconqetaclon con gas
caliente, can fuente de calor suplernentarla (electrica). a) Cicio de refriqeraclon, b) Cicto de descon-
AECIBIDOR
DEL LlOUIDO
J
c::::
C;A~E~T~D~~
~E: : :- ~
RESIS7ENC!A.CONTROLADO
POR E5TADO SOUDO lCRS)
(b)
I
gelacion. (Cortesia de Halstead y Mitchell. Una
division de Halstead Industries, Inc.).
298 I Refrigeraci6n a baja temperatura
Durante el cicio de refrigeracion, el refrigerante fluye del compresor al condensador, luego pasa al recibidor y a traves de la valvula
de expansion pasa al evaporador. Una valvula de solenoide de tres vias instalada en la linea de succion, se ajusta en una posicion tal
que el gas de succion .retorne a la succion del
cornpresor.
Constituye una caracteristica de este sisterna el hecho de que, durante el cicIo de descorigelacion, eJ gas caliente fluye en sentido
inverso desde el compresor, a traves de la linea de succi on y del evaporador. (cicIo invertido). Se observara que existe una linea de
desviacion del gas caliente, la cual conecta la
descarga del compresor a la linea de succion.
Cuando se inicia el ciclo de descongelacion, generalrnente con prograrnacion de tiernpo, se
cambia la posicion de Ia valvula de solenoide
de tres vias en la linea de succion, de manera
que quede abierta a la linea de desviacion y cerrada ala succion del compre~or. Se reduce as,
la pre~t9ri r~'ellado de alta-del sist~ma·lJI1a
valvulareguladora
de presion situada a la entrada del condensador, se ajusta para que cierre cuando disminuye la presion. EI compresor
continua en operacion y el gascalienteahora se
desvia directamente a la·succi6n del evaporador.
El gas se condensa a medida que p'i.~i~e 'su
calor de descongelacion: el lfquidosale.por Ia entrada del evaporador, evitando pas~r por la valvula de expansion y el filtro secadormediante
unadesviacion. Se coloca una valvula de retenci6ri en estadesviacion, a fin de evitar pasar
al lado de valvula de' expansion durante el cido normal de refrigeracion. El liquido condensado sigue su: flujo inverso a traves de la linea
del Iiquido, hasta llegar al recibidor.
Como se ve en la figura 12.12, adernas se tiene una linea que conecta el recibidor con la
succion del compresor, en la cual se encuentra instalada una valvula de solenoide para la
descongelacion. Esta valvula se abre durante el
cido de descongelaci6n. EI recibidor contiene
asimismo un calentador de resistencia electrica, el eual se activa durante la descongelacion.
EI calentador vaporiza el liquido queretornn
al recibidor, y fluye nuevamente a la succi6n .
del compresora traves de la valvula de descon.
gelacion, En esta forma se completa el cicio de
descongelacion por medio del gas caliente.
Una vez terminado .este cicIo de descongela.
cion, las valvulas de solenoide vuelven nueva.
mente a sus posiciones en el cido de refrige· .
racion,
Metodo del almacenamiento del calor. En esta variante de la descongelacion con gas caliente,
se almacena la energia terrnica procedente de
la operacion normal de refrigeracion, para luego hacer uso de este calor adicional en la descongelacion.
En la figura 12.13 (a) se muestra la operacion ..
del sistema .segun el ciclo de refrigeracion. La
descarga del compr.esor (R) fluye a un serpen- .
tin acumulaci6n de' calor. Este serpentin es-'
ta sumergido en un tanque de almacenamiento
de agua (A):EI gas caliente cede al agua una
parte de su sobrecalentarniento: Iuego fluye al .
condensador-B), a1 recibidor (C) y al evaporador ....,.
(F) como en el ciclo normal de. refrigeracidii; ..
En la figura 12.13 (b) sernuestra la oper~~
cion del sistema segtil1:el ciclo de descongelai
cion. Cuando se inicia
descong~la!
cion se cierra una valvula; de; solenoids, dg
descarga (G),.,a,l~ entr~da dei;c~n:~'~risadbi;;S~
obliga al gas de descarga a flu'i:r.~;ir~y~sde ~m~
linea de.desviacion, directam'eB.te a:(recibidol
Se abre una valvula de sol~~~iCi~dei"gas calien.
te
eI1: el evaporador, de manera que se oblii
gue al nquido caliente aalta presion a pasajf
por el serpentin de calefacciori .ge I",charola
drenaje, y por el serpentin;~de(evaporad~r", des:
congelando as! la unidad,
Se cierra la valvula de solenoide de la suecion (L); dernanera queel refrigerante liquido frio que se retorna del evaporador, se desvfe
a un s~~rp~ntln reevaporador sit~ado en el tanque de almacenamiento de calor. E1refrigerante liquido absorbe calor del agua del tanque
y se evapora, asegurando as! que el vapor
retorne a la succion del compresor. Una.valvula restrictiva (P), situada en el serpentin
elcicio, ae
m~
de
Metodos de descongelacion I 299
o
G
, ~.
A
L
L
(a)
( b)
Figura 12.13 Descongelaci6n
con gas caliente, con
el almacenamiento de calor mediante un serpentin
de acumulaci6n de calor a) Cicio de refrigeraci6n.
b) Cicio de descongelaci6n. (Cortesfa de Kramer
Trenton Co .• Copyright de 1978, por Kramer Trenton
Co.).
reevaporador, imp ide un exceso de la presion
de succion.
cesario para las unidades restantes. A fin de
suministrar suficiente calor, el sistema puede
solo descongelar aproximadamente una terce,
ra parte de la carga total, en cualquier mornento dado. Esto resulta, por 10 general;
satisfactorio, puesto que la duracion de 1adescongelaci6n es relativamente corta, comparada con los intervalos entre las descongelaciones.
En la figura 12.14 se muestra la disposicion
para la descongelaci6n secuencial con gas caliente, en la cual un control de. tiempo inicia
la descongelacion de cada unidad. £1 diagra-
Descongelacion can gas caliente, de los euaporadores
de usa multiple. En las instalaciones como las de
los supermercados, donde un cierto mirnero
de exhibidores-junto con otros evaporadores
pueden estar conectados a una unidad central
de condensacion, se puede disponer que la descongelacion por el calor latente del gas caliente, vaya descongelando una unidad a la vez. £1
evaporador de descorigelacion presta servicio
como condensador, y suministra el liquido .ne-
.
,
300 I Refrigeracion a baja temperatura
Leyendas
SGC Soleniode del gas caliente
SL Solenoide de la linea del liquido
C Valvula de retenci6n
.; ~j :
VET Valvula de expansi6n termica
CBP Control de baja presion
APE Regulador de la presiondel evaporador (cuandoes necesario)
~
C2
C1
Evaporador I
Evaporador 3
Evaporador 2
RPE
RPE'
., ..;~.
Oondensador, .
Compresor
Acumulador de
succlon
SL
;.:'
CBP
1,,-'
Figura 12.14 Dlsposiclon de desconqelaclon con
gas caliente para evaporadores de uso multiple. EI
evaporador 3 se halla en el cicio de desconqelacion.
I
I.
rna muestra un ciclo de descongelacion en ope·
radon, en el evaporador 3.
Cuando llega el turno de descongelacion de
cualesquiera de las unidades, el control de tiernpo cierra al solenoide de la linea del liquido
(SL) y el sistema se drena parcialmente. El control de tiempo de descongelacion posiciona la
valvula de paso de tres vias, de solenoide, del
gas caliente (SGC 3), para que desvie el gas caliente en sentido inverso, desde el compresor
al evaporador 3, como se rnuestra en la figu-
ra. Las otras dos valvulas de paso del gas caliente, se hallan en la posicion correspondiente
al cicio normal de refrigeracion, para los evaporadores 1 y 2. El gas caliente del evapora·
dor 3, se condensa a medida que se descongela
al serpentin, Este liquido fluye a traves de la
valvula de retencion C3, y pasa luego a los serpen tines de los otros evaporadores, a traves
de sus valvulas de expansion termica. Las valvulas de retencion son necesarias a fin de
impedir que el refrigerante no circule a las val-
Metodos de descongelaci6n
vulas de expansion terrnostatica (VET), durante la operacion del cicIo de refrigeracion.
Se instala asimismo, un control de baja pre·
sion en la linea del Iiquido. Si la presi6n en
ellado de alta baja tanto como para no poder
suministrar la presion adecuada para accionar.
las valvulas de expansion terrnostatica (VET),
dicho control abre el solenoide de la linea del
liquido durante la descongelacion. Cuando se
ha completado la descongelacion, el control
abre el solenoide de Ja linea del liquido y coloca
a la valvula SGC 3 en la posici6n correspon·
diente al flujo normal de refrigeracion.
La misma secuencia de eventos tiene lugar
cuando el control inicia la descongelacion de
los otros evaporadores, segun un programa pre·
determinado. La descongelaci6n se termina,
por 10 general, mediante un control de ternperatura (ver secciori 12.18). Se utilizan reguladores de la presion del evaporador (RPE), cuando se mantienen diferentes "temperaturas.
Este sistema debe disponerse de tal manera que se descongele como maximo una tercera
parte de la carga total, en cualquier .momento, de manera que se suministre suficiente
calor para que se pueda efectuar la descongelacion, durante el periodo de tiempo requerido. '.
12.17 Drenaje del condensado
~: :
No se debe perrnitir que se' vuelva a congelar
el agua que se forma por la descongelaci6n.
Siempre se debe proveer una charola de drenaje
con su tuberia. Es preciso darle a 1a tuberia una
inclinacion apropiada, para' asegurar un rapido drenaje. En el caso en que la charoia y la
tuberia de drenaje esten sometidos a la descongelacion, es preciso calentarlos utilizando medios suplementarios
como, por ejemplo, la
calefacci6n electrica. Se debe instalar una trampa de sello en la linea de drenaje,· a fin de
impedir que el aire fluya al evaporador. La
trampa debe colocarse fuera del espacio reo
frigerado, si existe la posibilidad de congelaci6n.
r
301
12.18 Control de la descongelaciori
La descongelaci6n se puede efectuar manual 0
autornaticamente. La descongelacion manual
precisa de trabajo adicional y esta sometida
al posible error humano; por 10 general, no se
recornienda.: La descongelaciori automatica
puede controlarse por tiempo, temperatura,
presion 0 cualquier otra serial.
El control de tiempo se puede usar tanto para
iniciar como para terrninar el cicIo de descongelacion. Este control utiliza un regulador de
tiempo, el cual es un dispositive provisto de un
mecanisme de relojeria 0 interruptores. La posici6n de estos iiltirnos esta controlada por el
reloj. El ciclo se ajusta para que se inicie a deterrninados intervalos peri6dicos fijos, como
por ejemplo, cad a tres horas. Si el ciclo se termina, asimismo, por el control de tiernpo, el
regulador de tiernpo detiene la descongelacion
a intervalos fijos, por ejemplo, cad a 10 miriutos. Luego retorna el cicIo de refrigeracion.
Se utiliza con frecuencia unciclo de descongelacion controlado en su inicio por el tiernpo, y terminado por una serial. Esto se hate'
debido a que no siempre se puede estimar de
anternano la duraci6n del tiempo de descongelaciori, el cual puede variar. '
EI control de terrninacion por temperatura
consiste par 10 cornun de un: terrnostato, el cual'
detecta la temperatura de la superficie del
serpentin delevaporador.
Cuando la temperatura se eleva por encima de un punta pre·
determinado (alrededor de 400F), el control
cambia al cicIo de refrigeraci6n.
EI cicIo de descongelacion puede asimismo
rerminarse mediante el control de la presion de.
succum. A medida que se eleva la temperatura,
aumenta la presion de succion del refrigerante; cuando esta llega a un punto deterrninado
preestablecido, el control termina la descon~
gelacion.
Cuando termina el cicIo de descongelaci6n,
interviene a menudo un dispositive de retra:
so de tiempo, el cual retarda la operacion del
ventilador durante un corto perfodo, despues
302 I Refrigeracion
i
L
a baja temperatura
de que el sistema haya cambiado al cicio de refrigeraci6n. Se evita as! tener que soplar aire
caliente y agua, al espacio adyacente.
En la aplicaci6n a las tiendas de venta de alimentes al menudeo, es preferible utilizar una
tenninaci6n de la descongelaci6n par demanda, tal como la terminaci6n por temperatura,
en lugar de la terminaci6n por tiem po. Las
condiciones variables de los alrededores, como par ejemplo la hurnedad en la tienda, puede cambiar la cantidad de escarcha que se
acumula; pOl' consiguiente, variara el tiempo
necesario para efectuar una descongelaci6n
adecuada. Si :eI tiempo de descongelaci6n es
demasiado cor to, se tiene entonces, pOI' supuesto, que la capacidad de enfriamiento puede ser inadecuada. Por otra parte, si el tiempo de
descongelaci6n es demasiado largo, el producto
puede deteriorarse hasta un punto inaceptable.
Se dispone de otros tipos de controles de descdngelacion,
basados en la demanda. Uno de
estos metodos consiste en un control que detecta la velocidad del aire,o la caida de presi6n del mismo. La acumulaci6n de la escarcha
reduce el area alrededor del serpentin y reduce, pOl' consiguiente.ielflujo
del aire. Este tipo de controlse ha aplicadoa los exhibidores
de alimentos de venta al menudeo y a las bombas de calor (vel' secci6n 12.29). En el caso de
las unidades de uso multiple, la demanda se
debe .utilizar solamente para la tenninaci6n,
a fin de evitar la posibilidad de.que dos 0 mas
unidades sedescongelen al rnismo tiernpo. El
regulador de tiempo para el inicio de la descongelaci6n es de circuitos multiples, y puede
programarse con los intervalos iniciales deseados.
.
,/',;
LA BOMBA DE CALOR.
12.19 Prmcipios
El terrnino bomba de calor se utiliza para describir. un sistema de refrigeracion que se emplea
10 rnismo para el enfriamiento que para la ca-
lefacci6n. Las bombas de calor se utilizan, por .•..
10 general, en el campo del aire acondicio- ..
nado; esto es, para enfriar 0 calentar en el
intervalo de temperaturas que suministra a .
las personas condiciones ambientales confertables. Es por esta razon que algunas de las.
caracter isticas de las bombas de calor se relacionan mas bien con el tema del aire aeondieionado que con la refrigeraci6n. No obstan- -.
te, .muchas de las caracteristicas especiales, y
la mayor ia de los problemas concernientes al
uso de las bombas de calor implican al equipo
y cicio de refrigeraci6n. Por consiguiente, resulta conveniente discutir estos aspectos en un
texto sobre refrigeraci6n. Los comentarios que
se relacionan can el aire acondicionado se Iim itaran a .los que, sean necesarios para com:
prender e) material aqui cubierto. El lector
debe consultar un texto adecuado sabre el aire
acondicionado, a fin de adquirir un mayor conocimiento de las aplicaciones de la bomba de
calor..
Si nuevamente se hace referencia a la aplf
caci6n que se hizo del sistema de refrigeracion
par compresi6n de vapor (capitulos 3. y 4), se
vierte que el calor. de rechazo del condensador
pasa a los alrededores. Por 10 general, se utili;
zan el aire y el agua para remover el calor. EI
aire se puede calentar a ternperaturas del orden de los, 100°1; .(38°C); por medio del.calor
cedido por el refrigerante que se condensa.
Cuando la planta de refrigeraci6n se utiliza
para enfriar, el calor desechado par el condensador se desperdicia por 10 general en el rnedio
arnbiente. En estas condiciones, se dice que el
sistema opera segunel ciclo de enfriamiento: Sin
embargo, esta energia terrnica se puede utilizar para calentar; en este caso, 1a planta de refrigeracion se utiliza como una bomba de
calor. Se dice que opera segiin el ciclo de calentamiento.
Se deduce de esta explicaci6n, que no existe diferencia alguna entre una bomba de calor y cualquier otro sistema de refrigeraci6n
par cornpresion de vapor. La bomba de calor
tiene los mismos componentes esenciales (eva-
La bomba de calor I 303
porador,
condensador,
y disposi-
compresor,
tivo de control de flujo) y opera con el mismo
cicio terrnodinamico.
A veces se utiliza el terrnino ciclo inuerso para describir a la bomba de calor. Esto es incorrecto, puesto que no opera con un cicio ter- ,
modinamico invertido, sino con el cicio de
refrigeracion convencionaL El termino se ha
originado debido a que en algunos tipos de
bombas de calor, se hace que el refrigerante
invierta la direccion del flujo entre la calefaccion y el enfriamento; ademas, el evaporador
y el condensador pueden invertir sus funciones.
12.20Aplicaciones yventajas
Puesto que la bomba de calor posee la capacidad de efectuar tanto la calefaccion como el
enfriamiento, tierie la ventaja obvia de requerir un solo conjunto de equipos para ambas
funciones, en lugar de dos unidades separadas,
tales como' una caldera y una unidad de refrigeraci6n~ ESlO reduce las necesidades de espacio y disminuye a menudo los costos iniciales
totales.
,,'
: Ya se hi indicado 'que la energia rechazada
en el conderisador de un sistema de refrigeracion
es igual a Iasurna de la energia'absorbida de la
carga presente 'enel evaporador, mas el calor de
cornpresion. Esto da una idea del porque a la
bomba de calor se Ie llama asi, La bomba toma
la energia termica absorbida por el sistema a una
baja temperatura, la eleva con el compresor a
una temperatura mas alia, y luego la utiliza por
medio del calor rechazado en el condensador.
La bomba de calor tiene ventaja de que la
cantidad de energia disponible para calentar
es mucho mayor' que la cantidad de energfa
quese 'consume para accionar el compresor (Ia
diferencia estarepresentada
por la cantidad
absorb ida en el evaporador), EI coeficiente de
rendirniento (eRD) de calefaccion de una bornba decalor, se 'define como la relacion entre
la s'alida de calor util y la entrada equivalente de energia al compresor. Esta relacion pue·
de ser del orden de 2 0 3, a una temperatura
z
exterior de 20°F. Esto es, la energia disponible para la calefacciori es de dos a tres veces
la energia que consume la fuente de calor.
Esto puede compararse con una fuente convencional de calor, en la cual a 10 sumo toda
la energia presente en el combustible se puede convertir en calor. Esto es, el mejor coeficiente de rendimiento es de I, que es un medio
a un tercio del de la bomba de calor.
Puesto que generalmente es un motor e lectrico 10 que Ie da movirniento al compresor de
la bomba de calor, esta conveniencia conduce
a un error de apreciacion cuando se Ie compara con una caldera 0 un hogar alimentados
directamente con el combustible. Esto se debe
a que al generar la electricidad en la planta de
fuerza a partir del combustible, se pierden
aproximadamente dos tercios de la energia suministrada de esta manera. Esto es, la eficiencia global de la energia es aproximadamente
la misma en una bomba de calor accionada por
un motor, yen su hogar. Sin embargo; la superioridad mas significativa en 'cuanto al costa de
operacion de la bomba de'calor, es con respecto a la calefaccion electricadirecta, en la cual
el coeficiente directo de rendirniento es I, con
las misrnas perdidas en la planta generadora.
EI usode las bornbas de calor operadas mediante el.calor, las bombas de calor auxiliadas
por el calor solar y la cornbinacion de hogares
y bombas de, calor, pueden aumentar las veritajas del sistema. con respecto a la eficiencia de
la energia. En este pun to, conviene dejar la discusion de estos temas at dominio del aire aeondioionado.
12.21 Tipos de bombas de calor
Las bomb as de calor se pueden clasificar en
grupos, segun el tipo de fuente de calor y el tipc de disipador de 'calor que se utilicen, La
[uente de calor es el medio del cual se absorbe
el calor (en el evaporador), y el disipador de calor es el medio al cual se rechaza el calor (en
el condensador). EI aire y el agua constitu-'
yen las fuentes y disipadores de calor de uso
304 I Refrigeracion a baja temperatura
mas com un, si bien ocasionaImente se usa la
tierra. La radiacion solar se ha utilizado asimismo como una Fuente de calor.
La bomba de calor mas cormin es la del tipo de aire a aire en la cual el aire se utiliza
tanto para la fuente de calor, como para el disipador. Tarnbien son comunes los tipos de
agua a aire y de agua a agua. El tipo de aire a
aire se explicara ahora en detaIle, y se usara
como la base para discutir las caracteristicas
de la refrigeracion can la bomba de calor, as)
como sus problemas en general. Tambien se
haran algunos comentarios con respecto a los
otros tipos de bombas de calor.
12.22 La bornba de calor de arre:
el carnbio de refrigerante
En este tipo de bomba de calor, los dos serpentines cambiadores de calor que se utilizan como el evaporador y el condensador, invierten
sus funciones entre los ciclos de operacion de
enfriarnento y calefaccion. Uno de los serpentines se coloca en, el exterior; y el otro en .el
interior. Se pueden utilizar dos metodos para
cambiar del ciclo de enfriamento aI de calefaccion, conocidos como cambio de refrigerante y
cambia de aire.La figura 12.15 muestra la-disposicion del sistema cuando se utiliza el cam"
bio de, refrigerante.
. r i •.
.: Los serpentines se conocen como el serpen·
tin interior y el serpentin exterior, refiriendose, a su posicion. Se utiliza .una udluula de
inversion de cuatro vias, para cambiar la direccion del flujo del refrigerante a los serpentines. Esta valvula deriva su nornbre, del hecho
de tener cuatro bocas (figura 12.16). Una de
las bocas se conecta a la descarga del eompresor, )' otra a la succion del mismo. Estas bocas
siernpre estan abiertas. La tercera y cuarta bocas se conectan a los serpentines interior y exrerior.
La valvula de inversion est! constituida
por un cilindro hueco con una corredera flotante interna,la eual tiene aberturas en la mismao Cuando la corredora esta en la posicion
mostrada en la figura 12.15 (a), la boca de'
descarga esta conectada aI serpentin exterior;
y la boca de succion esta conectada al ser.
pentin interior. La unidad opera ahora segun •
el cicIo de enfriamiento. El gas de descarga
fluye al serpentin exterior, el cual hace las
veces de un condensador enfriado por aire ..
El refrigerante liquido fluye a traves del dispositivo de expansion hasta el serpentin interior, '.,
que sirve de evaporador, enfriando el aire de lei
habitacion. EI gas fluye luego a traves de la
valvula d\~inversion, hasta Ja succion del com:
presor.
Cuando se opera segun el cicio de calefaccion, la corredera de la. valvula
de .inversion
.
.
.
_. ..
esta en la posicion mostrada en la figura 12.15
(b). E1 gas de desearga fluye ahora at serpen- .
tin interior. El.aire de la habitacion, que circuIa sobre el serpentin, se calienta a medida
que se condensa el gas caliente de desearga. EI
refrigerante liquido fluye' desde el .serpentjn
interior, (que haee ahara de condensador), a.·
craves del dispositive de expansion hasta el ser, '•.
pentin, exterior.. en donde se evapora el refri~: .
gerante, absorbiendo calor del aire exterion,
Esto tiene lugar debido a que la temperatura .:'
del aire exterior es mas elevada que latempe, .
ratura del refrigerante. EI gas refrigerante flu, '.
ye luego a traves de la valvula de inversion, hasta
la succion del compresor. Se observara quy ell
serpentinexterior ahora hace las veces de eva- ..
porador.
12.'23 L~.valvula de inv~rsi,6n,:.·
En la figura 12.17 se mueslr~ en detalle u~,'ti\po de valvula de inversion de cuatro vias, la.
cual controla la direccion del flujo del refrigerante. EI cuerpo principal de la valvula tiene.
una corredera con un piston en cada extremo.
La corredera tiene dos arnplios pasajes a traves de la misma, de abajo a arriba, uno a cada
extremo. Dos pequeiios orificios, a traves de la.
misma, se extienden desde la abertura de des- -.
carga del com presor, hasta cada extrema del: '. '
ciIindro.
,'La bomba de' ~alor I 305
Dispositivo de expansion
.:.
Sarpentin exterior
(condensador) ,
Serpentfn interior
(evaporador)
Calor procedente
del edilicio
~
Valvula de
cuatro vlas
',1
'i'
,
",':
- ,",
~
'Ccimpresor
. I .',....•
,Dispositivo cie
. ,~i!
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expansi6n
.....
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I:','
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Calor ai,
editiclo --E--
_
•. !
Serpentfn exterior
(evaporador)
Serpenlin interior ,
(condensador) 1,,'
Valvula de cuatro vlas
:'1
Compresor
(b)
Figura 12.15 ntspostclon de una bornba de calor
de aire a aire, can cambia de rafrlqerante:a) Cicio de
enfriamento 0 de descongelacion. b) CiCIode cale~
tacclon,
, ,,:', Calor procedente
~ .', ,~ del
axtericr
".
,
111
.~.
306 I Refrigeracion a baja temperatura
Figura 12.16 Valvula de inversion decuatrovias para el refrigerante. (Cortesia de Alco Controls.)
,.
La valvula tiene, asirnismo, una bobina de
solenoide y"una camara piloto, colocadas a 10
largo del werpo principal. La carnara con tiene un pequefio piston, el cual esta unido a la
arrnadura del solenoide. Cuando el solenoide
se energiza, jala el piston hacia la derecha. A
cada extreme de la camara, hay un pequerio
tubo que conecta con cada extrema del cilindro
de la valvula. Otro tubo conecta desde el centro
de la camara, a la boca de la linea de succion.
En la figura 12.17 (a) se muestrala opera-:
cion de la valvula en el ciclo de enfriarniento.
Cuando se desea enfriar, no se energiza el
solenoide de manera que el piston piloto se halla al lado izquierdo de la camara. El gas de descarga del compresor drena a traves del orificio
de la corredera hasta el Jado derecho del cilindro principal. EJ gas queda atrapado en este lugar, debido a que eJ piston piloto sella la
abertura a traves del tubo, Por consiguiente,
la presion de descarga se ejerce sobre el lade
derecho de la corredera. AI mismo tiempo la
presion de succion actua a traves del tubo central, hasta la carnara piloto, luego pasa por la
abertura en el Jado izquierdo de la camara hasta el lado izquierdo del cilindro. De aqu i resulta que la corredera se mantiene en el lado
izquierdo del cilindro de la valvula, por la
diferencia de presion. En esta posicion, la di- .
reccion del flujo del refrigerante es desde el
compresor hasta el serpentin exterior. De es- .:
ta rnanera, la bomba de calor funciona ahora ..
segun el cicIo de enfriamiento.
En la figura 12.17 (b) se rnuestra la operacion de la valvula de inversion, segun el cicio
de calefaccion. Cuando el control se cambia pa- ....
ra calentar, se energiza la valvula de solenoide .
y la posicion el piloto se mueve hacia la dere- ...
chao La presion de succion acnia ahora a traves
de la carnara, hasta el lado derecho del cilindro. El gas de la presion de descarga drena a
traves del orificio a la izquierda, y queda am
atrapado debido a la posicion del piston piloto. La diferencia de presion mueve Ia corredera hacia la derecha. En esta posicion, la direccion del flujo del refrigerante es desde el
compresor al serpentin interior. De esta rnanera, Ia bornba de calor funciona ahora segun
el cicio de calefaccion.
12.24 Dispositivos de control de flujo
Con el cambio de refrigerante, es necesario hacer arreglos especiales en el dispositive de control de flujo, puesto que el refrigerante fluye en
direcciones opuestas, y las presiones cambian entre los cidos de calefaccion y enfriainiento ..
Un metodo consiste en la utilizacion de dos
valvulas de expansion por separado, una en cada serpentin (Figura 12.18). Se provee una 11·
nea de desviacion alrededor de cad a valvula.
En el caso de la valvula que no esta en usc, la
desviacion irnpide el flujo en la direccion incorrecta, a traves de la valvula. Se coloca una
valvula de retencion en cada linea de desviacion, a fin de impedir que el refrigerante se
desvie de Ia valvula de expansion que este en
uso activo. Se puede seleccionar cada valvula
de expansion, para que se ajuste a las condiciones de servicio a.que se vera sometida. Por
ejemplo, la valvula utlilizada con el serpentin
exterior, puede ser del tipo de carga cruzada
debido a la baja temperatura (capitulo 8).
La bomba de calor I 307
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308 I Refrigeracion a baja temperatura
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AJ compresor
AI
compresor
Desde el
compresor
Serpentin interior
(condensador)
Serpenlin interior
(evaporado)
Serpenlin exterior
(condensador)
Serpenlfn exterior
(evaporador)
Valvula de
retenci6ri
Valvula de
retenci6n
;:
(b)
(aJ
:'-
:1.
Figura 12.18 Disposicion de una bornba de calor
que utiliza dos valvulae de expansion par separada
a fin de poder pianejar el problema de que existan
" dife~erites condiciones en los ciclos de calefacci6n '.',","
y enfriamento. a) Cicio de enfriamento. b) Cicio de
caiefacclon.
La diferencia de presion a traves del dispositivo del control de flujo puede ~er mayor
para calentar que para enfriar, ya que. Ia diferencia de temperatura esrnayor. s: se usa un
solo tubo capilar como dispositive de Control
de flujo, puede ocurrir que su funcionamiento no sea satisfactorio, bajo una de las.dos condiciones. Algunas bomb as de calor utilizan
tubas capilares separados, para calentar yenfriar, teniendo el tuba capilar de calentarniento una mayor resistenciaal
flujo. Se puede
util izar una disposicion de valvulas de retencion para evitar el paso por el capilar que no
este en uso.
Las compuertas estan en pOSlClOntal que el ",
aire interior se hace circular a traves del ser, pentin evaporador, El aire exterior se hace pasar a traves del serpentin condensador. La
figura 12_19 (b) muestra el sistema en operaci6n
segUn el cicIo de calentarniento. Las cornpuertas estan ahora en posicion tal, que el aire interior circula a traves del condensador y se
calienta. El aire exterior ahora se hace pasar
tta~es del serpentin evaporador.
•. Debido a que la 'disposicion de cambio de
refrigerante es muy compacta, es mas adecuada que Ia disposicion cie cambio de aire, cuando se trata de equipos integrales pequerios.
Las bomb as de', calor de agua a aire, y de
agua a agua, se usan con mas frecuencia en los
sistemas de mayor capacidad ensamblados en
,el campo. (La disposicion de aire a aire es aplicable tanto a los sistemas de gran capacidad, como
a los de poca capacidad), En su selecci6n influye la disponibilidad
de una determinada
fuente de calor y de un determinado disipador de calor, asi como de la utilizacion final '
del sistema. Par ejemplo, si en un edificio se
12.25 Desviacion del aire
Este metodo uriliza ductos ycompuertas para
cambiar entre los ciclos de enfriamento y calefaccion (figura 12.19), No carnbian, ni el circuito del refrigerante, ni la funcion de cada
serpentfn.
En la figura 12.19 (a) se muestra el sistema
en operacion, segUn el cido de enfriarniento.
I
,a
....
La bomba de calor
Retorno del
Circuito del refrigerante.
r
309
Inyecci6n del aire al interior
Escape al
'exterior
a)
Retorno del
aire interior
Circuito del refrigerante
Jnyecclon del aire al interior
~
. "
Escape al
exterior
:.
'
b)
.~.!
:i
I,'
Figura 12,1.9 Distribucion de una bomba de calor
de aire a aire, can cambia de aire a) CicIo de !.enfriamiento. b) CicIo de calefacci6n.
:
,\
."-;
""'"
.
..
:"',
',I.,
",.,.
~
.
va a instalar un sistema de air~ ff~ndiciQna.
do con agua fria y caliente, se puede seleccionar l~'bombade calor de aguaa agua. En este
texto no se incluye la descripciO:nde cada tipo, puesto qU,eesto no tiene qu~ verdirectamente con la refrigeraci6n.
'
,
12.26 Caracterfsticas de
de calor
la bomba
d~
En el inicio de la utilizaci6~
la 'bomba de
calor, 'can frecuencia se tenian considerables
problemas de operaci6n y servicio. Algunos de
los problemas eran .el resultado de ignorar las
.
necesidades especiales de las condiciones del
servicio. Se aplicaban equipos y practicas que
eran satisfactorios para el servicio convericional de enfriamiento por aire acondicionado,
obtenieridose a veces como resultado la falIa
d~l equipo. "
.. ' ,
Ya se han discutido algunas de las caracteristicas especiales del equipo de refrigeracion
de una bomba de calor: la valvula de inversion
y los dispositivos de control de flujo. S,e pasara. ahora a discutir otras caracteristicas y
procedimientos de operacion de los equipos.
Muchos de estes procedirnientos se llevan a
cabo en la refrigeraci6n comercial
(a una tern.
'.~ .
'.
:
..:
:
310 I Refrigeracion a baja temperatura
peratura mas baja). EI flujo de retorno del liquido, el retorno del aceite y las elevadas
ternperaturas de descarga constituyen problemas importantes, relacionados con las bomb as
de calor
Los compresores utilizados con
las bombas de calor tienen por 10 cormin un
volumen de tolerancia menor que los utilizados para producir unicarnente enfriamiento
para confort. A las temperaturas de succion
mas bajas que se encuentran durante el calentamiento, el menor volumen de tolerancia da por resultado una capacidad adicionaL
Los compresores utilizados deben asimismo
diseriarse para las elevadas relaciones de compresion que pueden: tener lugar a las bajas ternperaturas exteriores.
nal de la descongelacion, en el caso en que
el Iiquido se condense en el serpentin frio del
evaporador. EI acumulador de succion captara y almacenara eI refrigerante Iiquido que en.
tre a la linea de succion, debido a estas posibles
causas.
Compresores.
Generalmente se instala un acumulador (capitulo 11) en la succion del compresor, para impedir que el refrigerante liquido
llegue al compresor. Son varios motivos que
hacen necesaria la instalacion de un acurnulador.
Durante el cicIo de calentarniento se necesita menos refrigerante que durante el cicIo de
enfriamiento, especialmente a las temperaturas
mas bajas. Las condiciones son tales, que pueden hacer que eI serpentin exterior no evapore
todo el refrigerante. En este caso, el acumulador recogera el exceso del liquido.
Puede asirnisrno ocurrir el escurrimiento
dei liquido, cuando se hace el cambio entre los
cicIos de enfriamiento y calentamiento. El serpentin que ha estado haciendo las veces de
condensador y que esta lleno de liquido, se ve
subitamente expuesto a la baja presion de suecion a la salida, haciendo que el liquido se vea
obligado a entrar a la linea de succion,
Cuando se inicia el ciclo de descongelacion
de 1a bomba de calor, el gas caliente a alta presion se desvia al evaporador; esto puede obligar al refrigerante liquido presente en el
evaporador a entrar a la linea de succion. Puede presentarse una situacion sernejante al fi-
Calentadores del carter. A las bajas tempera~~.'
ras de succion que se encuentran a menu do en
el periodo de calentamiento durante el paro
del cicio, se halla que Ia migracion del refrigerante al carter del compresor es mas rapida,
Durante el arranque se pueden tener problemas .,
de forrnacion de espumas en el refrigerante y .'
lubricacion deficiente, los cuales ya se mencionaron con anterioridad. Se .utiliza un calentador . .
en el carter, para mantener una temperatura
y una presion adecuadas, evitando asi la mi- ..
gradon del refrigerante.
Acumuladores
.
Debido a la considerable diferencia
en las condiciones entre los ciclos de calefaccion y enfriamiento, se tiene que varia asi:
mismo el flujo del refrigerante a traves del, '.
sistema. El recibidor resulta conveniente para ..
alrnacenar eI exceso de carga, cuando no es
necesaria. El acurnulador de succion sirve asimisrno como recibidor en algunas unidadesin-i
tegrales.
'
.. " ;,'.::
Recibidor.
.,'1;'
12.27 Usos de las bombas de calor
Adernas de; las taracterfsticas especiales de los
componentes que ya se discutieron,' eXIsten'
ciertas practices de servicio que son especificas
de fas bornbas calor.
A diferencia de la situacion usual que se presenta cuando un sistema de refrigeracion se
utiliza para obtener enfriamiento, para confort,
la bomba de calor puede operarse 'a muy -eleva:
das temperaturas de evaporacion, Esto puede
ocurrir con un estado benigno del tiempo, si
la unidad se opera segun el cido de calefaccion, ya que eI serpentin exterior hace entonces las veces de evaporador. Las elevadas
presiones de succion pueden dar porresulta-
La bomba de calor I 311
do una mayor demanda de potencia al compresor, 10 que puede, en algun momenta, 50-
brecargar al motor. Se recomienda por 10
general, que no se opere una unidad segun el
cido de calentamiento, a temperaturas exteriores mayores de aproximadamente 65°F.
En los dimas frios, la bomba de calor opera
con reJaciones de com presion relativamente
altas, Por ejemplo, en un dia con una temperatura ambiente de OaF, la temperatura de
evaporacion puede ser de aproximadamente
-20°F. Si la temperatura de condensacion fuera
de lOooF, la relacion de com presion seria de
alrededor de 8.5, con refrigerante R-22Esta relacion de com presion es un poco alta con
respecto a los limites de diserio de la resistencia de algunos compresores. Ademas, las altas
temperaturas de descarga van acompariadas de
elevadas relaciones de com presion. Para las
condiciones que se acaban de enumerar, la
temperatura de descarga se acercara a un lie
mite maximo aceptable. Por consiguiente, se
debe evitar una reduccion en el flujo del aire
sobre el serpentin interior durante la epoca
de calor, puesto que esta condicion aumentara la temperatura de descarga. Esta situacion
puede ocurrir debido a filtros sucios,difusores
de aire obstruidos 0 a un balance incorrecto.
Se deben tomar algunas precauciones concernientes ala 'instalacicn del serpentin exterior, para evitar el mal funcionamiento de la
unidad. Este serpentin se debe colocar de tal
modo que la nieve no obstruya el flujo del aire.
Ademas, se debe proteger a fin de evitar que el
viento sople directamente sobre el serpentin;
pero por otra parte, no se debe instalar en
donde el aire pueda recircular a traves del serpentin.
12.28 Calentamiento suplementario
La capacidad de calentamiento (0 sea, el calor
rechazado del condensador) de una bomba de
calor, disminuye al disminuir la temperatura
-de evaporacion, debido a que su vez, disminuye el calor absorbido en el evaporador. Como
el serpentin exterior hace las veces de evapo·
rador, la capacidad de calefaccion disminu ye
con la disminucion de la temperatura exterior.
En el caso de las demandas tipicas de las cargas
de calefaccion y enfriamiento, si la bobina de
calor tiene la capacidad apropiada para mariejar la carga de enfriamiento maxima, su capacidad de calentamiento no sera adecuada al
operar con temperaturas exteriores, inferiores
a las que se encuentran en muchos dimas. En
Jas aplicaciones residenciales, una temperatura
exteriorde 30°F representa una temperatura tipica, a la cual la capacidad de calentamien to
de la unidad justamente equilibrara la carga.
Esto constituye el punto de equilibrio. Si se desea
una explicacion mas amplia del punto de equilibrio y su determinacion, se debe consultar un
texto apropiado sobre aire acondicionado.
A cualesquiera temperaturas que sean mepores que eI punto de equilibrio se debe suministrar calentamiento suplementario. Esto se
corisigue a menudo, utilizando uno a mas calentadores electricos de resistencia, A medida
que disminuye la temperatura exterior, aumenta
la'cantidad de calor suplementario requerido,
puesto que la carga aumenta al mismo tiernpo
que disminuye la capacidad de la bomba de calor. Los con troles se disponen de manera que
activen por etapas a los calentadores de resistencia, a medida que baja la temperatura exterior.
Los calentadores suplementarios siernpre se
deben instalar despues del serpentin interior
en el sistema de ductos, de manera que el calor no 'afecte a la temperatura de condensacion.
12.29 Descongelaci6n de la bomba de
calor
La escarcha se acumula en el serpentin exterior
(evaporador) de la bomba de calor, al operar
en las condiciones mas frias en el invierno, y
par 10 tanto se hace necesario efectuar la descongelaci6n con la bomba de calor. Esto es conveniente hacerlo con gas caliente. Se cambia
la unidad, por un corto periodo de tiempo, ala
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312 f Refrigeracion a baja temperatura
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operacion segun el cicio de enfriarnento; el gas
caliente descongela entorices el serpenrin exterior, el cual hace ahora las veces de condensador. El ventilador del serpentin exterior
se para durante 1adescongelacion, de manera
que e1 aire frio no sople sobre el serpentin.
Esto ultimo, solo resultarfa en un aumento. de
la can tidad de calor necesario para la. descongelacion.
, Los rnerodos de que se dispone para iniciar
y tenninar la descongelacion con la bornba de
calor son similares a aquellos que se han discutido para otros equipos. En un cicIo tipico
de descongelacion de, una bornba de calor de
aire a aire, la preparacion para la descongelacion se inicia por 10 cornun mediante un control de tiernpo que aproximadamente cada 90
minutos cierra unjuego decontactos, en un circuito de control electrico. Un dispositivo que
detecta la necesidad dedescongelacion opera
otro juego de contactos en el mismo circuito
de control. Puedeserun termostato.que detecte la temperatura de Ia.superficie del serpentin, 0 un dispositive qlle detecte Ia presion de
succi on, 0 la oaida de presion del, aire a traves
del serpentin, Si las condiciones indican. acumulacion de escarcha, el terrnostato (0 el<;:ontr:ol
de: presion) cierra eI circuito y Ios controles
cambian la unidad, de calentarnientoa enfriamiento. Los controles paran asimismo 'el ventilador del serpentin exterior, por las razones
previamente explicadas.
. ','
EI control de tiempo abre su circuito <;tproximadamente 10.segundos despues de haber10 cerrado; si el dispositivo sensor no indica
la necesidad de descongelar dentro de este lap56 de tiempo, laounidad perrnanecera en el cicIo de calentamiento. Si la unidad pas~ a la descongelaci6n, el circuito de control de tiempa
de 10 segundos se desvia de _manera que no
afecte a la duracion de la descongelaci6n.
EI ciclo de descongelacion se terrnina ya sea
por temperatura a par tiempo, Si el clemente
sensor indica que se ha completado la descongelacion , el mismo abre el circuito.ylo controles
cambianIa unidad al cielo de calentamiento.
Si la unidad se halla todavia en descongelacion
despues de unos 10minutas, otro fuego de contactos en el control de tiempo abre el circuito .
del ciclo de descongelacion y la unidad cambia a1ciclo de ca1entamiento. El lirnite de descongelacion mediante el tiernpo, sirve como un
refuerzo de seguridad del sensor de temperatura; en el caso en que el sensor deje de indicar .
el final de la descongelaci6n. Es tambien cormin que autornaticamente se active una etapa
de calefaccion suplementaria durante la descongelacion, de manera que el aire. frio no
se descargue dentro de los espacios ocupados.
.
.
'!
PREGUNTAS DE REPASO
1. ~Quc§efectos indeseables pueden ocurrir
si es demasiado alta la temperatura del refrigerante a la salida del compresor
2. Indic~r dos rnetodos que se pueden utilizar para reducir la temperatura de de~cai,. ga del. gas caliente en el cornpresor.' ...
3_, ~Como se retorn~, el aceite al ci~ter?
~Por que razon puede disminuir el retor;
no del aceite, a las bajas ternperaturas de
evaporacion
.
q
.~.i. ~Qu~ se puede hacer resolver el problema
. I!,'
..'_, ~
de un suficiente retorno.
del
aceite
al car"-.
''l
ter?,
.
'.
..... .. ,. '.... , .'
5. ~Que efectos puede tenerla baja presion
de succi6n sobre las cornpresores herrneticos, y cual de ellos no tiene lugar en Ibs
cornpresores abiertos] .
. •.. "
6. Explicar el motive par el que puede tener
Iugar la sobrecarga del motor en el arranque de un sistema a baja temperatura, (Co·
mo se puede evitar?
7. Describir y dibujar un sistema de compresian compuesta de dos etapas.
...;'
8. Dibujar y explicar como se utiliza ]a disposicion de una valvula de expansion para eliminar ei sobrecalentarniento. :
9. Describir y dibujar los dos tipos de ~rifria·
dores intermedios.
Preguntas de repaso>I 313
10. ~Cuales son las ventajas de la com presion
de etapas multiples? Explicar por que tie-
ne lugar cada una de elias.
11. ~Que es un compresor de refuerzo? ~Que
12.
13.
14.
15.
16.
caracteristicas debe poseer? ~Que tipo es
el que se utiliza con mas frecuencia?
c:Cualesson las ventajas y desventajas Telativas de los enfriadores intermedios de tipo abierto en cornparacion con los de tipo
cerrado?
Enurnerar los accesorios utilizados en un
sistema compuesto tipico de dos etapas, y
su funcion,
Dibujar la disposicion de un sistema multiple y describir su objetivo.
~Cuales son las funciones del regulador de
presion del evaporador y de la valvula
de retencion, en un sistema multiple?
Describir y dibujar un sistema de refrigeradon en cascada.
Explicar las ventajas y desventajas relativas
de la refrigeracion compuesta comparada
con la refrigeracion en cascada.
Describir dos efectos fisicos de la formacion de la escarcha. c:Cmiles el resultado
de cad a uno de eIlos?
~Como se lleva a cabo la descongelacion?
~Cuales son los metodos posibles de decongelaci6n?
Describir y dibujar un sistema de descon- .
gelacion por gas caliente.
21. Describir un sistema de descongelacion
can inicio controlado por el tiempo, terminado par control de la temperatura,
y equipo can un dispositivo de retraso ~Cual
es la funcion del dispositivo de retraso?
22. Describir y dibujar un sistema de bornba de calor de aire a aire, can camb io de
refrigerante, y que opere tanto en el cido
de refrigeracion como en el de calefaccion .:
23. Explicar como funciona una valvula de inversion de cuatro vias.
24. Discutir los problemas y las soluciones que
se presentan al utilizar las valvulas de expansion y los tubas capilares, en las bombas de calor.
25. Explicar las caracteristicas especiales de
los equipos de refrigeraci6n con bomba de
calor.
26. (Cuales son los accesorios que se uti lizan
a menudo en los sistemas de refrigeracion
par medio de bombas de calor? (Cuales
son sus objetivos?
27. Explicar los problemas que pueden presentarse a las temperaturas templadas y
bajas, cuando se utilizan bombas de calor.
Discutir las soIuciones de cada problema.
28. ~Que es el punta de equilibrio? ~De que :
manera afecta la selecci6n y operaci6n de
una bomba de calor?
29. Describir el ciclo de control de descongelaci6n de una bomba de calor.
· i
Capitulo
13
REFRIGERACION
ABSORCION
POR
.
"
'.,
Con anterioridad se estudi6 el metodo de 10grar la refrigeraci6n por el sistema de la compresi6n de vapor. En este capitulo se trata otro
rnetodo de producir refrigeraci6n en gran escala, 0 sea, la refrigeraci6n por absorcion. Este
metodo se utiliza principalmente para enfriar
el aguadestinada a los fines de] aire acondicionado, pero tiene, asirnismo, aplicaciones en
la refrigeracion industrial. En la figura 13.1 se
muestra uri rnoderno enfriador de agua, de refrigeracion por absorcion.
Se explicara primero como funciona el sistema deabsorcion, y luego se procedera a tratat: del equipo, los con troles, la operaci6n y la
utilizacion de la energfa.
'.'.
.
.
'13:1 Los.sistemas d~ compresion y
,de, absorcion de vapor
Entre los sistemas de cornpresion de vapor y
los sistemas de absorcion existen tanto sernejanzas como diferencias. La refrigeracion util
se logra de lei misma manera eriambos sistemas; Esto es, por la evaporacion de u n Iiqu ido
en unevaporador, utilizarido ei calor laterite
de vaporizacionpara obtener un efeeto de enfriamiento. Ambos sistemas utilizan; asimismo,
un condensador para' remover calordel vapor
refrigerante a una alta presion, y regresarlo a
su estado liquido original. Ambos utilizan un
dispositive de control de flujo 0 de expansion.
Los sistemas difieren, sin embargo, en cuanto a los medios utilizados para recuperar el refrigerante evaporadoy aumentar su presion. En
primer lugar, las formas de energfa utilizadas
para operar el sistema, son diferentes. En elsistema de cornpresion de vapor se utiliza la eriergia mecanica para accionar el compresor. La
operacion del compresor mantiene la baja presi6n del evaporador y eleva, asimismo, la presion
en el lado de alta.
En el sistema de absorcion se utiliza la eriergia calorifica, para elevar la presion del reo
frigerante. La baja presion del evaporador se
mantiene, mediante el uso de otra sustancia llamada absorbente. Dos componentes, el absor-
)
OBJETIVOS
EI est~dio de este capitulo perrnitira:
1. Dibujar y describir el sistema de absorci6n
utilizado en los enfriadores de gran capacidad que emplean bromuro de litio y agua.
2. Explicar que es cristalizaci6n y que es 10 que
la causa, as) como los medios para evitarla
o eliminarla.
3. Describir como se logra el control de la capacidad del enfriador por absorci6n.
4. Explicar cual es la diferencia entre las maquinas de absorcion de simple y doble efecto.
315
'...,, .
.
316 I Refrigeraci6n por absorcion
Figura 13.1 Un enfriador
de agua, de refriqeracicn
por absorci6n (de dos etapas). (The Trane, Co.i. La
Crosse, WI).
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bedor yel generador, Henan una funcion sernejante a la .del com presor, ,En el sistema 9.~~bsor,cion se utilizan a menudo componentesauxiHares como las bombas, cuyas funciones se
explicaran mas, adelante..
'.
Una r~zqn porIa.cual el sistema, de .absorci6n es popular y versa til, estriba
que opera directarnente can la energia calorifica, En
cualquier lugar en .donde se disponga de vapar residual, agua caliente 0 ga~es de .combustion, se toma en consideracion co;' especial
interes,' a 'Ia refrigeracion par absorcion.
en
13.2 EI proceso de absorcion ,
Es importante comprender e) proceso de absorci6n y algunos de los terrninosquese
relacionan con el rnismo, ya que son esenciales
para hi comprensi6n del sistema que se va a
discutir...
-;
Algunos pares de sustancias tienen una afinidad o .atracci6n mu tva, de tal manera que
cuando hacen contacto,
una de las dos
absor.
'. .
be a la otra, La sustancia que absorbe se llama
-
el absorbente.
Un ejemplo muy conocido de
se-,
.
._
mejante par de sustancias, 10 constituyen la sal
de mesa cormin (cloruro.de sodio) y e] vap,or de
agua. La sal de mesa actua como un absorbente, con una afinidad considerable para ?bsOfJ,J,C:;~
el. vapor de agua presente en la atmosfera. Por
10 tanto, en los dias humedos, se advierte qu~
la sal ha absorbi do' humedad del aire, y nq
sale.
Ii·
Los absorbentes pueden ser s6lidos, Hquidos 0 gases, y las sustancias por las cuales tie.
nen afinidad pueden ser liquidos 6 gases. 'En:
la refrigeracion por absorci6n, el absorbente
es un liquido, y la otra sustancia, que sirve co:
mo el refrigerante del sistema,.se encuentra en
un estado gaseoso (de vapor), cuando es absorbida. Dos pares de sustancias se utilizan con
buen exito en los sistemas de absorcion. Un
par esta compuesto de agua y amoniaco. EI
agua es el absorbente, y el amoniaco el refrigerante. EI otro par es el bromuro de litio (cuyo simbolo quirnico es LiBr) y el agua. En este
caso, el brornuro de litio es e1 absorbente y el
agua es el refrigerante. Se observara que en
'.
-
'.
I..
. ~
;
;
Objetivos I 317
uno de los casos el agua es el absorbente, y
en el otro es el refrigerante,
En los sistemas de refrigeracion, la mezcla
de las dos sustancias norrnalmente se encuentra en estado liquido. Cuando la proporci6n
del absorbente en la mezcIa es elevada y la pro·
porcion del refrigerante es baja, a la solucion
se Ie llama solucion concentrada 0 fuerte; y cuando la proporcion del absorberite es baja y la
del refrigerante es elevada, se Ie llama solucion
diluidao debil, La concentraci6n se expresa por
10 'general como el porcentaje en peso del absorbente. Dna soludon mas concentrada puede
absorber una mayor cantidad de refrigerante,
mayor rapidez. Una solucion puede
absorber solo una cantidad maxima de refrigerante; cuarrdo se diluye dernasiado, ya no es
capaz de absorber mas refrigerante.
En esta explicacion del sistema' de tefri·
geracion por absorcion, se utilizara el cicIo de
bromuro de litio y agua. Cuando se haga referenda a un equipo especffico, se describira
la disposiciori generalmente utilizada en las
maquinas
gran capacidad para el aire aeondidotJa'do. Mas adelantesediscutiran otrasdisposiciories de eqlii_e6s.
con
de
:. :-
t
.
Como se' explico en eI capitulo 3, la temperatura de evaporacion del refrigerante depende de
sus caracter isticas de presion y temperatura
de saturacion. Esto es, la temperatura ala cual
el refrigerante se evapora (hierve) varia can Ia
presion del evaporador, La presion debe ser
10 suficienternente baja, para que Ia temperatura resultante de evaporacion se eneuentre al
valor que se necesita para laaplicaciorr de la
refrigeracion.
En los sistemas de compresiorrde vapor,
Ia baja presion en el evaporador se maI1tiene
mediante la acci6n de succion del: bombeo
del compresor, como se observa en la figu·
fa 13.2(a), la cual rernueve: el 'refrigeran te tan
pronto como se evapora, evitando as! que se
eleve Ia presion: Se escogen refrigerantesadecuados.icuyas caracteristicas de presion y terriperatura correspondan aI funcionamiento del
compresor y dernas componentes. Por ejemplo,
si se utiliza refrigerante R·12 y se desea una
temperatura de evaporacion de 40°F; la presion en el evapor'adorse debemantener a 51.7
Ib/pulg2abs. Si se utiliza refrigerante R·Il, Ia
Flujo del vapor
refrigerante .
-E--
Flujo del vapor
refrigerants
-E--
Compresor
13.3 EI absorbedor y el evaporadon-
_
..
~c
~c(agua)
Refrigerants
llquldo
Soluci6n absorben1a
Evaporador
abscrbedor
(a)
-Figura 13.2. Cornparacion de las maneras de obtener el flujo y la succion de un refrigerante desde
el evaporador, en los sistemas de absorclon y de
Refrigeran1s
Ilquldo.
Evaporador -
(b)
cornpreslon de vapor. (a) Obtsncion dellado de baja
en el sistema de cornpreslon de vapor. (b) Obtencion del lado de baja en el sistema de absorcion.
318 I Refrigeracion por absorcion
presion en el evaporador tendra que mantenerse a 7.0 Ib/pulg~abs. (14.3 pulg Hga) la eual
esta muy por debajo de la atrnosferica.
Si se ha de utilizar el agua como refrigerante que se evapora a 40(}F, la presion debe
rnantenerse
extremadamente
baja, a 0.12
Ib/pulg:.?abs (0.25 pulg Hga), segun el apendiee 3. La figura 13.2 (b) muestra en forma esquernatica, como se utiliza el proceso de abo
sorcion para mantener esta baja presion. EI
euaporador contiene el refrigerante (agua), EI abo
sorbedor es un recipiente adjunto que contiene
una solucion fuerte (concentrada) de agua y
brornuro de litio. Los dos recipientes se hallan
conectados de manera que el vapor pueda fluir
libremente entre los dos., A los recipientes se
les vacia de todo aire hasta que se encuentran
a una presion.extremadarnente
baja. '£1 a~a
ell el evaporador cornenzara a vaporizarse suo
bitarnente; esto es, hervira. El efecto refrigerante del calor latente de vaporizacion erifriara el
agua no evaporada, lograndose la refrigeracion. ',.
EI vapor de agua producido llena el espacio evacuado de ambos recipientes. La presion
en el evaporador aumenta a medida que se evapora mas refrigerante. Consecuentemente,
la
I , .'
correspondiente temperatura de evaporacioj- .
tarnbien aumenta, y se pierde la refrigeracic-, .
a una temperatura aceptablemente baja. Sin.
embargo, esto se evita porla accion del absorbente, EI vapor de agua que Ilena los recipien.
tes hace contacto con la superficie de' la
solucion fuerte absorbente, y esta 10 absorbEsto reduce la presion en el espacio, creandoss.
un ligero gradiente de presion de la superfi, '.
cie del refrigerante en evaporacion hacia el abo....
sorbente, 10 que estimula el flujo del vapor d~ .:
agua.
.
".'
....
Esto es, el absorbedor retira el vapor de aIDla
a medida que este se produce, manteniendo
con ello la presion baja y I~ temperatura en el .
evaporador. Esta accion del absorbedor reem··
plaza el efecto de succion ere ado por el compres or. .
.
.
.
Puesto que el evaporador debe mantenerss .
a una presion muy baja, el equipo debe estar
herrneticamente sellado. Esto seria fisicarnen.te impractico si el agua refrigerante se hiciera ..'
circular por el ~xterior entre tuberfas y serpentines, hasta llegar.a la carg,,;. Por lo tanto, :1 re- .
frigerante se utiliza para enfriarel a~a que
circula a traves de un hazde tubos en elevaporador (figura 13.3). Entonees se hace ci~cti-
.,' .'
Flujo del vapor refrigerante (agua)
~
JI
I
.'.
..-,' .','.
·t
..
Soluci6n
absorbente
Absorbedor
Refrigerante
(agua)
~
Figura 13.3. La bomba del refrigerante y el serpentin de distribuci6n del agua helada, agregados al
evaporador.
I
Bomb,
Agua
helada
Evaporado
de',ef'~'''"Ie
Objetivos J 319
Jar el agua fria hasta la earga. Asimismo, el agua
refrigerante
se reeircula continuamente
mediante una bomba del evaporador, a traves de
un eabezal equipado
con boquillas de aspersion, haciendola
pasar por fuera de la tuberia
de agua fr ia. EI calor procedente
del agua del
sistema (a una temperatura
ligeramente
mas
alta que el refrigerante)
evapora el agua refrigerante. Esto enfria el agua del sistema.
Una cornbinacion.
de .bornba. y boquilla de
aspersion,
se'utiliz<:\;~,asi:rhisriid,'para
rociar la
solucion concentrada del absorbedor en el espacio del absorbedor.
Esto aumenta el contacto en el area superficial
entre la solucion yel
vapor de agu~, aumentando,
asimismo, la eficacia del proceso de absorcion.
EI sistema que se muestra en la figura lS.2(b)
no puede operar de un modo satisfactorio ?urante muchotiempo, debido a'A.':l~)asolucion
absorbente se diiuye mas medida que absorbe el vapor de agua, y pronto se vuelve ineficaz. EI regimen de absorcion del vapor de agua
disminuye, elevando la presion y .la, te.!I1peratura de eV<l,pora~j9irih£l.sta,"':In .nivel. inaceptable. En un'ci"erto"pu'htBi
soiiICion e~sa por
eompleto de absorber-el vapor de agua.
a
la
13.4 Recllperacion,del".-r.~{I'~gerante
_;:~:i
~e
.r, (-
;:a '.::':.'.~~'. .
Es obvio que
dispone de algunos medios para reeuperar el refrigerante, si es que el sisterna se va a utilizar mas de una vez. Se neeesitan
dos etapas basicas. En primer lugar, es necesario separar el refrigerante de la solucion. Esto
se logra calentando la solucion debil, hasta aleanzar una temperatura a la eual el agua se separa por ebullicion, 10 cual se realiza en un
eomponente llamado generador. En segundo
lugar, el vapor de agua se debe condensar hasta alcanzar el estado liquido, de manera que
este en condiciones para usarse nuevamente
en el evaporador.
La disposicion del equipo que se muestra
en la figura 13.2(b) no es adecuada para efectuar la recuperacion practica del refrigerante
sobre una base continua, pero constituye un
interesante detalle historico el hecho de que
alguna vez se le utilize como unidad de r efrigeracion dornestica, llamada "pesa de gimnasia''. EI evaporador solia colocarse en una caja
aislada utilizada para enfriar alimentos. Durante un tiempo, el efeeto de evaporacion era satisfactorio, en cuanto a que producia agua
razonablemente fria, la eual a su vez enfriaba
el espacio eircundante. Una vez que el proee·
so se hacia ineficaz, se rernovia la unidad.
Entonces se aplicaba al absorbedor un calentador de gas para evaporar el agua, aurnentando
la concentracion ,de la solucion, De esta manera,
el absorbedor servia tambien como generador.
Simultanearnente, se colocaba el evaporador en
un bafio de agua, condensandose el vapor de
agua refrigerante. Entonces la "pesa de gimnasia" estaba lista para utilizarse nuevamente.
13.5 El generador y el condensador
En la figura 13.4 se muestra una disposici6n
practica utilizada para recuperar el refrigerante, de modo que el sistema pueda operarse continuamente. La solucion debil se bombea del
. absorbedor a un reeipiente llamadogenerador
o concentrador. Se aplica calor a la solucion, de
. 10 que resulta la ebullicion del agua. La solucion fuerte, ahora reconcentrada, se retorna aI
absorbedor para luego rociarse de manera que
penetre en el vapor de agua refrigerante de los
alrededores, en donde tienelugar la absorcion,
La fuente de calor es, con frecuencia, vapor de
agua 0 agua caliente que circula en un serpentin, tal como se muestra en la figura 13.4.
La aplieaci6n directa de los gases calientes de
la combustion puede, asimismo utilizarse, si
bien, por supuesto, los aparatos son fisicamente diferentes.
El espacio del generador esta conectado a
un cuarto cornponente que es el condensador. EI
vapor de agua llena el espacio en los recipientes. A traves de la tuberia del condensador se
hace circular agua de enfriamiento. La temperatura del agua es mas baja que la temperatura de condensaci6n del vapor de agua a la
320 I Refrigeracion por absorcion
CONDENSADOA
GENERADOA
., '
AGUA DE
CONDENSACI6N
t •
....
.
~...
INTEACAMBIADOA
DE· CALOR
. ~.
;
AGUA
HELADA
..
:
Figura 13.4. Dlsposlcion del sistema de absorcion
de bromuro de litlo y agua.
.' ;
presion de condensacion. EL vapor de agua,
pOl' 10 tanto, cede su calor de condensacion,
y se condensa como liquido, acurnulandose en
el fondo del condensador.
EI evaporador y el absorbedor se hallan a
tina temperatura extremadamente baja, y pue·
den considerarse como ellado de baja del sistema. La presion desarrollada en eI generador
y. el condensador por el proceso de calentamiento es mas elevada: estos dos componen-
tes pueden considerarse el lado de alta del
sistema. (Si bien Ia presion es mas elevada en
el generador y el absorbedor, todavia esta muy
por debajo de la presion atrnosferica).
A fin de mantener el diferencial de presion
entre ellado de alta y ellado de baja, y de causar un efeeto de enfriarniento por vaporizacion
subita en elrefrigerante, se provee un orificio
entre el condensador y el evaporador. Esto sirve como un dispositive de' expansion, semejan-
Ohjetivos I 321
te al que funciona en el sistema de compresion
de vapor. Esto completa el cicIo.
13.6 EI cambiador de calor y los
circuitos de agua de enfriamiento
Un dispositivo que ahorra energia, el cual se
incluye en el sistema real, es un carnb iador de
calor, instalado entre, las soluciones debil y
fuerte (figura 13.4).La solucion .fuerte que sale
caliente del generador precalienta la solucion
dehil procedente del absorbedor. Esto ahorra
parte de la energia necesaria para elevar la
temperatura dela solucion debil hasta el punto de ebullici6n, la cual, de otra manera, se tomaria de la fuente de calor. EI enfriamiento.
de' la soluci6n fuerte en el cambiador de'
calor, reduce asirnismo el enfriamiento necesario en el absorbedor, a fin de reducir
}a temperatura de la solucion, hasta obtener la temperatura
apropiada de opera·
cion.
Adernas de ser necesaria el agua de enfriamiento en el condensador, se debe remover calor en el absorbedor. En el absorbedor se libera
calor de tres fuen tes. Primera: cuando se abo
sorbe vapor refrigerante, este se transforma en
liquido. El calor latente de condensacion causado por este efecto debe removerse. Segunda: el mismo proceso de absorci6n genera
calor debido a efectos quimicos, al cual se le
llama calor de dilucion. Y finalrnente, a pesar
del carnbiador de calor, es necesario remover
el calor sensible adicional de la solucion fuerte de retorno, para reducir su temperatura,
hasta obtener la temperatura apropiada de
operacion.
El circuito del agua de enfriarniento por 10
general se conecta en serie, y va primero al abo
sorbedor y luego al condensador (Figura 13.4).
Puede utilizarse cualquier fuente usual de agua
de enfriarniento, tal como una torre de enfriamiento.La' cantidad total de calor que debe reo
chazarse del sistema es aproximadarnente el
doble, que en 'el caso del sistema de cornpresi6n de vapor.
',
13.7 Caracterfsticas del
absorbedor y del
refrigerante: cristalizacion
, " Tanto el absorbente como el refrigeran te deben tener ciertas caracteristicas deseables. EI
par constituido par el bromuro de Iitio y el
agua, es del todo satisfactorio en machos aspectos. Su costa es bajo, es quimicarnen te estable, y no es toxico. El brornur o de litio
absorbe grandes eantidades de agua. Por to
tan to, solo se debe born bear 'una ean tidad
relativamente pequeria de bromuro de litio
entre el ab~?rbedor y el generador. El punto
,', de ebullicion del agua es considerablernente lnasbajo que el del brornuro de litio. Por
Io-tanto.ces facil ~eparar uno del otro en el
'generador.
.
'
Las caracteristicas de presion y ternperatura del vapor de agua son tales, que las pr esiones en los recipientes seran extremadamente
bajas. Esto no es deseable, puesto que el aire
se filtrara par .cualesqu iera juntas deficientemente selladas. Esto elevarfa la presion, y la
temperatura de evaporacion resultante ser ia
inaceptable. En las primeras rnaquinas de absorcion, esto constituia can frecuencia un problema. Sin embargo"hqy en dia, el.equipo es
muy confiable en qplOto a lamanera herrnetica de sellar.
Las aplieaciones del sistema de bromuro de
litio y agua se Iirnitanaternperatu ras relativamente elevadas, puesto queel refrigerante se
congela a 32(JF.
>
Cristalixacion. La solucion de bromuro de l itio y agua posee una propiedad que puede causar dificultades. Si se enfria una solucion fuerte
(eoncentrada) que se halla a una temperatura
elevada, delliquido se precipitan cristales solidos. A este proeeso se le llama cristalizacum. La
mezcla resultante tiene una consistencia sernejante a la del lodo. Si la cristalizacion tiene
lugar en una maquina de absorcion, la refrigeraci6n cesa, puesto que las bombas no pueden
operar con una mezcla semejante allodo. Mas
322 I Refrigeraci6n por absorcion
10J' F
SAUOAOEL AGUA DE CONOeuSAC'OII
!
95'F
nEFAIGERAUTE
95'F
:-,
85'F
2JrtFiADA DEL
AGtJ~
oe CONOENS~CI~N
!'':
SALIDA
ENTRADA
AGU,.,
HELAOA
DOMDA DEL
ADSOADEOOR
. '. .
DouoA DEL
"
,
Figura 13.5. Vista de la secci6n transversal de un
enfriador de agua par absorci6n, de bromuro de Iitio y agua, del tipo de un solo casco. Se muestran
las presiones y temperaturas tipicas de operaclon.
(The Trane Co., La Crosse, WI)
adelaute se tratan las causas de la cristalizacion,
aSI como las maneras de evitarla.
EI par que forman el agua y el amoniaco
es, asim isrno, bajo en costa), quirnicamente estable. La eleccion de la ubicacion del equipo
resulta resrringida, ya que el yapor de ameniaco-es una sustancia roxica. Las caracteristicas
de presion y temperatura del arnoniaco dan
pOl' resultado
que se tengan presiones eleva-
das en los recipientes (a "10<?Fla presion del
evaporador es de 73.3 lb/pulg" abs). La infiltracion de aire no constituye, par 10 tanto, problema .alguno durante )a operacion,
Las
presiones elevadas, particularrnente en el equipo del lado de alta, pueden requerir unequipo
de una resistencia mayor que e~ la maquina de
brornuro de lit'io r agua. El sistema de agua y
arnoniaco puede, desde luego, utilizarse
para
.
.
.
Objetivos
ternperaturas bajas, ya que el refrigerante no
se congela, excepto a temperaturas extrernadamente bajas.
Un problema existente en el sistema de absorciori de agua y arnoniaco, consiste en que
parte del agua se consume por ebullicion junto
con el amoniaco en el generador, debido a que
la volatilidad del amoniaco no es muy diferente a la del agua. Los fluidos entonces tienen que
sorneterse a un proceso de separacion, en un
equipo llamado rectificador.
I 323
porador hace circular continuamente esta agua
hasta las boquillas de aspersion, que la extienden sobre el haz de tubos de agua frfa del sistema. EI calor procedente del agua del sistema
evapora el refrigerante, y a su vez el agu;]. del
sistema se enfria de 54 a 44°F, 'en este caso.
EI absorbedor. En la figura 13.7 se muestran
vistas de la seccion transversal y en corte de
los componentes del absorbedor. Una solucion
de concentracion intermedia se rocia en el espacio del absorbedor, por medio de 1a bomba
del absorbedor.La solucion absorbe el vapor del
13.8 Las maquinas de absorcion
agua refrigerante circundante, el cuallIena el
de bromuro de litio de gran
espacio .abierto del evaporador y la parte de
capacidad
_
absorcion del casco. Se mantiene as! Ia baja
EI cicIo de absorcion del bromuro de Iitio despresion requerida (0.25 pulg Hg~)::Debido a la
crito en las secciones anteriores, en esencia reo
existencia de un pequeno gradiente de prepresenta la manera en que operan la mayoria de
sion, thrapor refrigerante fluye continuamente
las maquinas de refrigeracidn por absorcion
hacia el absorbedor.
de gran capacidad, Estas maquinas se utilizan
La solucion' diluida (debiljse recoge en un
principalrnente para enfriar aguadestinada a
eoJector:UbicadO.en el fondo del casco. La solos sistemas de aire acondicionado, en capaciIucion d~bil se riiezciaen la ,succion de la borndades que abarcan desde aproximadamente
.9a(jelabso~bedt:)r
canI~ saludon fuerte que
100 a 1500 toneladas de refrigeracion,
..... . .... _regresadelgene:rador;
para formar lasolucion
La disposici6n fisica real del equip<;>,es del.v". interrnedia..
..
.. .,. >..'" .. . .. ..'
todo diferente de la disposiei6q~esquem~tica·· ..., ...•....
Haydos, mbti,V()'Sp6~ios:qhe se·utili~a'mla
que se muestra en la figura 13J. L6~cuatro
solucion de concentracion interrnedia
~fab·
componentes se combinan porlo geii,~ral, ya
sorbedor.La solucion fuel:te puede cristalizarse
sea en dos 0 hasta en un solo casco cilindrico.
'.. a las ternperaturas aquese .enfria.' Asirnismo,
En la figura 13.5 se muestra la~ist~ d~·l~·sec.
la cantidad de solucion fuerte, no seri~ suficion transversal de una maquina de un solo casciente para humedecer por completo el haz de
co. Este tipo de rnaquina se usara para describir
tubos de agua de enfriarniento.
el cicIo y su operacion, asi como algunas caracEn el absorbedor se genera calor, de la conteristicas fisicas del equipo. Las condiciones de
densacion del refrigerante absorbido, del cala temperatura que se muestran, son tipicas,
lor de diluci6n, y del calor sensible de Ia
solucion fuerte. Este calor se remueve medianEl evaporador. En la figura 13.6 se muestran
te el agua de enfriamiento que circula a traves
vistas de la secci6n tranversal yen corte del evade un haz de tubos. La temperatura del absorporador. El refr igerante Iiquido (agua) fluye
bedor se mantiene a 105°F. EI agua de enfr iadesde el condensador, a traves de la restriccion
miento se calienta de 85 a 95°F~
del orificio, hasta el evaporador. Debido a la
caida de presion, tiene lugar un poco de vaEI generador (concentrador). En la figura 13.8
porizacion subita, y el refrigerante se enfria
se muestran vistas de la seccion transversal y
hasta 40°F. EI refrigerante no evaporado cae
en corte de los componentes del generador. La
al recipiente del evapor ador, La bomba del evasoluci6n debil procedente del absorbedor se .
en
324 / Refrigeradon
por absorcion
: ".:.'j
Figura 13.6 Operaclon y construcclon del evaporador. (The Trane Co., La Crosse, WI)
bornbea hasta el generador mediante la bomba
de la solucion. Una fuente de calor. en este caso
un serpentin de vapor. calienta la solucion hasta alcanzar la temperatura a la cual el agua se
evapora (210°F). dejando una solucion fuerte.
Mediante un cambiador de calor. la soluci6n
debil se precalienta (de 105 a 17!)oF) apro\'e·
chando la solucion de retorno. la cual a su vez
se enfria hasta Ilegar a 135°F. La solucian fuer-
te se mezcla can la solucion debil en la succion
de la bornba del absorbedor.
El condensador. En la figura 13.9 se muestran
vistas de la seccion transversal y en corte del
condensador. El vapor de agua del refrigerante, procedente del generador. pasa al conden.sador. E1 haz de tubos del agua de enfriamiento
en el coridensador elimina el sobrecalenta-
Objetivos I 325
Figura 13.7. Operaci6n y construcci6n del absorbedor. (The Trane Co., La Crosse, WI)
,
miento del refrigerante, y luego 10 condensa
(a 113°F). EI refrigerante se acumula en el deposito del condensador, y fluye a traves del orificio hasta el evaporador, experimentando
vaporizacion siibita yenfriandose por SI mismo, conforme desminuye la presion. El circuito de agua de enfriamiento esta conectado en
serie desde el absorbedor. El agua entra a 95°F
y sale a 103°F, y enseguida se envia a 1(1torrede
enfriamiento para que se enfrie nuevamente.
'
",'.
13.9 Control de la capacidad '
EI control de la capacidad de los enfriadores
de absorcicn de bromuro de Iitio y agua se 10gra variando la concentracion de la soluci6n
326 I Refr'igeracionpor absorcion
"1
Figura 13.8. Operaci6n y construcci6n del concentrador. (The Trane Co., La Crosse, WI)
en el absorbedor. Si se reduce Ia concentraci6n,
la solucion tiene menos afinidad para absorber
el vapor de agua. Esto eleva ]a presion y la ternperatura en el evaporador. Por 10 tanto, la diferencia de temperatura entre e] agua enfriada en
el sistema y el refrigerante disminuye, y disminuye tambien la capacidad de enfriamiento.
Las maquinas modernas de absorcion utilizan un control de estrangulaci6n de Lajuente de calor
para regular Ia capacidad de refrigeracion, La
valvula de estrangulacion de dos vias situada
en la linea de suministro del vapor 0 del agua
caliente, se controla mediante la temperatura.
del agua fr ia que sale del sistema. Cuando la
carga de refrigeracion disminuye, cae la temperatura del agua. Esto estrangula la valvula de .
control, y de esta manera se suministra menos
calor a] generador. Se evapora men os refrige-
Objetivos I 327
LADO DE ALTA
PRESION
.. '.
"
..
..
Figura ~3.9. Operacion yconstruccion del condensador. (The Trane Co., La Crosse, WI)
.;
rante, y la solucion de retorno resulta menos
concentrada. Esto reduce la concentracion de
la sclucion que se bombea al absorbedor, y la
capacidad de enfriamiento disminuye, como se
acaba de explicar.
, El control del agua del condensador se ha utilizado anteriorrnente, como un media de centro-
,,'
.• "
=>,
lar la capacidad de la maquina de absorcion. La
estrangulacion del flujo del agua del condensador eleva la presion y la temperatura del condensador, y se evapora merios refrigerante en
el generador. La solucion de retorno esta, par
10 tanto, menos concentrada, y tiene lugar el
mismo efecto que se explic6 previamente. Sin
embargo, este metoda ya no se utiliza. Un pro-
328 I Refrigeracion
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absorcion
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% de 10carqa du dls.n~
80
90
100
Figura 13.10 Dsrnanda
de energia para el fuh~·
cionamiento a carga
parcial de un enfriador
por absorcion, de una
soJa etapa. (The Trane
Co., La Crosse, WI). ..'
blema que se origina con el mis~(} co~~istd:i .': varte h~~taapI'9'XiIna.dament~ 55°F. Esto tenen que la mayor temperatura d,e.coifc1~hS~~)·· .dr~.;h{g~f;:p6r.l()comul1,.~e·m~nera
nat~ral;
ci6n del agua, da por resultado el.\iaUmen~:;'> piiest:o (l(l~ a cargckp~ic~a:]~s,se rechaza rnenos
to de la formaci6n de Incnistaciones"~n los
dlbt;h'~dala terre d.~enfriamiento, yla territubos.
:'.
.:
p~t~~t'a.idel fgua de ~nfri~m;ient6"dismiIlllye;
.
".; .."....
......';:/I:as'cbndiddri~s:ambienta]es conducefl,por 10
13.10 Funcionamiento a carga
. ....':g~'ner(ll/,a~'mism6 ie~ultaclo; COmo se:.veen lit
parcial y la demanda de.
figUr~t$:to,eliui,C)'dtda:'energia acarga pa:r:'
energia
.,;..,/,.'
En la figura 13.10 se rnuestran ]~sde~~~'d.:i.S
relativas del consumo de energia del enfriador .
de absorcion, correspondientes a diferentes
temperaturas del agua de entrada al condensador, A 85°F la demanda de energia disminuye
aproximadamente en la misma proporcion que
la capacidad.
Anteriormenre era necesario mantener la
temperatura del agua del condensador cerca del
valor de disefio, a una carga parcial. Una ligera
reducci6n en la temperatura podia ocasionar
que la temperatura de la soluci6n disrninuyera
basta el punto de cristalizacion. Sin embargo,
en las maquinas modernas, el diserio permite
que la temperatura del agua del condensador
. ~::~~~;:f£~~W;~~~;i~~t~ee~~~r~u~;lda~~'
del cpn4ensadot.·
..
.
...
'
Se';;(:u~nta con una disposicion
eConomi~
zador para carga parcial (figura 13.11), la cual reduce el consume de energia a cualquier tem:.
peratura dada del agua del condensador.jSe
instala una valvula de estrangulacion en la
linea de la so1uci6n debil, que va del absorbedor al generador. Cuando la carga disminuye
la valvula se estrangula, de manera que se born'
bea menos solucion al generador. Esto reduce
la entrada de calor requerido, y ahorra energfa. Por ejemplo, con un agua en el condensador a 85°F, la entrada de energia, a un 50 por
ciento de la carga, es el 40 por ciento de Ia entrada de energia a plena carga.
de
Objetivos I 329
En 1a figura 13.12 se muestra el cicio de la
soluci6n correspondiente a una cornbinacion
de condiciones tipicas, mediante las line as
1-2·3·4·5·6-1.Esto muestra los cambios en la
temperatura y concentraci6n de la soluci6n
conformecircula entre el absorbedor y el ge·
nerador.
La temperatura de evaporacion en el ejernplo es de 40°F. Esto establece Ia presion del
vapor en el evaporador y en el absorbed or a
6 mm Hg, (0.25 pulg Hg.). La solucion deb ii,
a un 59 por ciento de concentracion y I05"F,
deja <11absorbedor en el pun to 1.
Figura 13.11. PisposiciOn de un economizador paI;.alirieal;2 es elaurnento.de la t~mperatura carga parcial. (The Trane Co., La Crosse, WI).
.ra en el cambiador de calor, yla Iinea 2-3 es
el aumehtoadicional
del calor sensible en el
. 'gerierador:<'siric~h.bib'~lguno enIa concentra.ci(ni).!El puntoS esta determinado por las con13.11 La grafica de equihbr'io
diciot;les delcondensador. En este ejemplo se
Las propiedades fisicas de las soluciones de abo
.supone que eI agua de enfriamiento da por resorbente y refrigerante, pueden mostrarse gra·
sultadoque el refrigerante se condense a 112()F.
ficamente en una grdfica de .equilibrio. ~h l~, . . La pr~s16n de saturacion correspondiente es de
figura 13.12 se muestra una de.estas ~aficas; :'~. 70 ll,1m'Hga(6.0 pulg. Hga): Esta es la presi6n
la correspondienteal brornuro
.ltti6·iCl~a~.i.· " .en
condensador y en el generador.
La grafica de equilibrio es util pa,ra enterider.'
..... Ifn:ea3~4representa el auinento de la conc6mo funciona el ciclo, y par~;:c9m.pr~~aT;,si·· .: 'c~ntPiciqfl enel generador a medida que el reson satisfactorias las~c.on.diGibIJ,Mde
6p·era.~i6if:
Jrige~al1te se evapora. Respecto del ejemplo
Tarnbien es util para verificarsi piied~ tener
.que se muestra, la soluci6n se calienta hasta
lugar la cristalizacion... ".' ".. '.' " '."".
21!?°F Y~..una fuerte concentraci6n de un 64
En 'Ia grafica.~o:stia~a;JaJ~inpe;.atl1ra
de .
por c~e~to.
la sohicion se traza;~Jd'-i~rgo ~el~e'~?rizon:.
. ". La linea 4-5 representa el enfriamiento de
tal. La presion 9~~!\(~p6r;.Y'ia
temperatura .cola. solucion fuerte en el cambiador de calor,
rrespondient~ ~:ff~·ct~uiaciQ9del·refr~,gera:hte
hasta 135°F~'
se trazan sobre .el;ej~·:Y:ertical:
La'concentracion
La linea 5-6 representa la mezcla de las sode la soluciori
'mu~stra por las lineasincliluciones fuerte y debil, para componer la solunadas trazagas',~~:"l{parte superior derecha a
cion' intermedia a un 62 par ciento.
la parte inf{![iot izql1f~rda.. '.' -.
..'
- _
'La soluci6n intermedia se bombea hacia
La linea de cristalizacion es la linea con in"
adentro del absorbedor. La linea 6·1 represendinaci6n acentuada a la derecha del diagrama,
ta la diluci6n de la soluci6n a. medida que
e indica las . ~ohdiciol1es'
restrictivas bajo las
absorbe el vapor de agua refrigerante .
-".,
cuales tiene Iugar la cristalizaci6n. A la izquierda de esta linea,' toda la solucion permanece
13.12 Problemas de la cristalizacion
en estado IIq~j(:ia"':'sl su ccindici6n cambia hasta un punto aladerecha dela linea, tendra luComo 10 muestra la grafica de equilibria, si se
gar laoprecipitaciori como solido de un poco
enfria una soluci6n altamente concentrada, la
de bromuro de litio, fuera de la soluci6n.
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330 I Refrigeracion por absorcion
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Objetivos I 33l
nueva condicion puede hallarse mas alla de
Ia linea de cristalizaci6n, y resultar en la formacion de solidos y en una perdida de refrigeracion.
Si la temperatura del agua de condensacion
disminuye hasta un punto extremadamente bajo, es posible que la solucion debil que fluye
hacia el cambiador de calor, sea 10 suficientemente fria para enfriar la solucion fuerte por
debajo de la temperatura de cristalizacion.
Ejemplo 13.1 En el cicio de operaci6n mostraSi ocurre una perdida inesperada de erierdo en la figura 13.5, la solucion se concentra
gfacuando se eleva la carga (a una carga alta
a un 67 por ciento, en vez de un 65 pOT ciento
corresponde una solucion fuerte, altamente
en el generador ~Tendr;i lugar la cristalizacion?
concentrada), la solucion puede enfriarse por
debajo de su temperatura de cristalizacion.
Solucum El punto 5 se halla ahora como se
Se dispone de metod os, tanto para evitar la
muestra en la figura 13.13. Se sigue una nuecristalizacion como para descristalizar el sisteva Iinea 4·5 a medida que la solucion fuerte
se enfria en el carnbiador de calor, y cruza
ma, si lacristalizacion tuviera lugar. La cristalizacion se'puede evitar mediante un dispositivo que
la linea de cristalizacion aproxirnadamente
detecte el nivel de concentracion y que, como
a 167°F. Puesto que la solucion se enfria hasrespuesta a una' concentracion excesiva, abra
ta 135°F en el cambiador de calor, la crisra, "uria valvula que mezcle una solucion dilu ida
l izaci on te nd ra lugar, los tubos del
con lasolucion concentrada. La descristalizacambiador de calor se obstruiran, y la-ma, cion se logra enviando una solucion caliente
quina dejara de funcionar.
a traves del cambiador del calor, de manera
El disefio y los controles de las maquinas de
' que Ia solucion cristalizada y fria en el otro cirabsorcion modern as evitan que tengalugar la
cuito, se caliente por encima de su ternperatucristalizacion, de la manera como se describe
ra de cristalizacion.
'
en este ejemplo. Sin ernbargora veces se pr~·
, - zi cicio autornatico de dilucion normalrnensentanotros problemas inesperados que, deben ' "', te formaparte de los con troles de operacion de
ser cornprendidos. Son tr¢sEis posible-scausas ,',': la rnaquina de absorcion, Las bombas operan
de la cristalizacion:
'
'"
durante 'unos minutos despues de que la rna"quina deja defuncionar, can el fin de mezclar
,; la solucion y .evitar la presencia de solucion
1. La presencia de alf~' enla;~5.quin;a~;-,
, concentrada en cualquier lugar.
2. Una baja temperatura delagua deconden.:
sacion,
3. Interrupcion
electrica,
'.',
',""
~:"
_, "','
en elsuministro de energia
'.
','
Si el aire se infiltra enIa rnaquina, la pre·
sion en el evaporador aurnenta y, por 10 tanto, la temperatura
tarnbien aumenta. Esto
disminuye la capacidad de refrigeracion. Los
controles reaccionan aumentando la entrada
del calor, 10 cual eleva la concentracion de la
solucion, Como se ve en el ejemplo, el enfriamiento subsiguiente puede conducir a la cristalizacion. En la operacion de la maquina de
absorcion, se lleva 03. cabo una purga rutin aria
del aire, 10 eual, debe evitar este problema.
,
"'13.13' Purga
No debe permitirse que el aire U otros gases no
condensables se filtren dentro de la maquina
de absorcion. Debe darse una atencion espe·
cial a este problema, puesto que las presiones '
extremadamente bajas, en la maquina de bromuro de litio, aumentan la posibilidad de la
filtracion hacia adentro del aire. Durante la fabricacion, el aire se rernueve por completo y
se sella la maquina. Todas las bombas son hermeticas para evitar la filtracion a traves de los
sellos. Sin embargo, durante la operacion de
la rnaquina, es necesario efectuar purgas con
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Objetivos f 333
regularidad.
EI aire en el sistema reduce la ca-
pacidad de refrigeraci6n, y favorece la cristalizaci6n. La purga puede hacerse de manera
manual a intervalos, 0 continuamente por medios automaticos, Los dispositivos utilizados
son bomb as mecanicas de vacio, 0 bombas de ,
chorro.
13.14 Rendimiento y aplicacion
factores practices. En las aplicaciones industriales, en particular, existe con frecuencia una
fuente, de otro modo desaprovechada, de vapor a baja presi6n a de gases de combustion
calientes, Esta energia puede considerarse como
disponible sin cos to.
Independientemente
de esto, la rnaquina de
absorci6n de simple efecto se ha utilizado en
el pasado, a pesar de su ineficiencia energcrica, debido a ciertas conven iencias. Sus n ive les
de ruido y vibracion son mas bajos que los del
equipo que utiliza compresores, y por 10 tanto su utilizaci6n resulta conveniente cuando se
instalan en los pisos superiores de los edifici os,
Asimismo, se trata de una maquina que opera
con vapor de baja presion, 10 cual en algunas
localidades, 'significa que al personal que la
opera nose Ie exige obtener las licencias especiales, como es el caso cuando maneja otros
tipos de equipos.
A pesar de estas consideraciones, debido a
los elevados costos de la energia, en la actualidad se han reducido los casos en que la rnaquina de absorcion de un solo efecto es
competitiva, Sin embargo; es mas atractiva la
maquina de dos etapas, 0 de doble efecto, la cual
es mas eficiente en cuanto al uso de la energi'a.
Al enfriador de absorcion de bromuro de litio y agua que se ha descri to, se le llama rnaquina de una sola etapa 0 de simple eJecto,debido
al hecho de queel refrigerante se evapora una
sola vez en eI generador.
La eficiencia en el uso de energia de la rnaquina-de absorci6n de un solo efecto, es muy
baja. Esta maquina esta diseriada para operar
con vapor de' baja presi6n, a unas 12 Ib/pulg2
manomet (244°F de temperatura de saturaci6n) 0 con agua caliente a 270QF. En estas condiciones, la demanda de energia a plena carga
es aproxirnadamente de 17,000 a 18,000 Btu/hr
por torielada de refrigeracion producida, en el
caso de' las temperaturas tipicas del agua helada y del agua de enfriarriiento. El correspon'dientecoeficiente de rendimiento (CDR) es
muy bajo, aproximadamente
entre 0.65 y 0.70.
13.15 La rnaquina de absorcion
Esto se compara con un CDR de aproximadamente 3 a 4~en una rnaquina de enfriamiento
~e dos etapas
'"
" 'I'
dea~<l: porcornpresion
de vapor, Esto es, la
maquiha de";absor,ci6n -requiere apI"qximada~, ' . EI princi pio basico de absorcion. en la rriaq~ina
: de dos etapas es el IIlisrho 4hey~:se' 'describio
mente, de, :!;inco' a sels Ve~es m~s energia. ,
,'.Lasituacion no es tan unilateral como esta ' ' con anterioridad. Ei equipo es ~emejarlt~~
Ia
gY~'ise/ac~_b~ d~scribir, ctianqo se conside- . " excepcionde que el refrigerantese ev.~pOtaen
HCI~t{iente d~" ~~e~g'iadel cornpresor "acciodos etapas, en dos g~net(1dor~s,,(q)l?-cenftadores).
nado pot electricidad. Aproxiimldametites<S,lo '
La maquina de abs~r.d?n ,4c:'Aos:etapas (0
.un tercio de la energia calorifica contenida en " de doble efecto) utilizaj,'apn::iximadamerite, de
el combustible de la planta de fuerza,se con->"
un 30 a un 40 por ciento menos energia que
vierte en electricidad. De heche, Ia rri:aquina'
la maquina de una sola etapa. Se rechaza
:de absorcion-u tiliza aproxirnadamente; dos venos calor al agua de enfriamiento, dar{d6 corrio
-:ces mas energia calorffica de Ia que' contiene
resultado la necesidad d~u tilizar una terre de
el combustible original; cornparadacon lama- ,
enfriarniento de menor capa}i<:lad.Larn~quina
quina accionada por un compresor.
,,
descrita en esta seccion utiliza vapor a aproximadamente 150 Ib/pulg2 manomet.o agtIa caEsto todavia haria a la rnaquina de absorliente a 400°F.
' :,'
,',- ,
cion incapaz de competir, si se excepuian otros
'a~:
~qn
me-
334 I Refrigeracion por absorcion
En la figura 13.14 se muestra una seccion
transversal de los generadores. La fuente de calor del vapor a presion elevada (aproxirnadamente a 150 Ib/pulg2 manomet) evapora una
parte del vapor refrigerante que procede de la
solucion diluida que entra al generador de
la primera etapa, a una temperatura aproxirnada de 320°F. El vapor, aproxirnadamente a 5
lb/pulg" manomet (20 Ib/pulg2abs), fluye entonces hacia un serpentin en el generador de
la segunda etapa. La solucion parcialmente
concentrada procedente del generador de la
primera etapa fluye hacia el generador de la segunda etapa, despues de pasar a traves de un
cambiador de calor de alta temperatura. La soIucion diluida fluye a traves del otro circuito
de este cambiador de calor, antes de entrar al
generador de la primeraetapa, y de esta rnanera se precalienta (a aproxirnadamente
270°F).
EI vapor- refrigerante que se halla en el serpentin del generador de la segunda etapa, hace que a aproximadamente 208(JF se evapore
vapor refrigerante de la solucion parcialmente concentrada que entra. La solucion concentrada r e su l t a n te fluye nuevamente
al
abscrbedor a traves de un cambiador de calor
a baja temperatura, como 10 hace en la maqu].
na de una sola etapa.
.
En la figura 13.15 se muestra la disposician
completa de dos etapas. Se obsrvara que el ge-".
nerador de la primera etapa se halla en un cas.
co separado, y que los componentes en el
segundo casco son similares a los de la maqu].
na de una sola etapa.
13.16 La maquina de absorci6n de .
dos etapas con aplicacion ;..
directa de combustion
Se dispone, asimismo, de equipos
de agua por absorcion, de gran capacidad, que
utilizan la combustion de gas natural 0 de acelte combustible No.2, como fuente de calor(fi.
gura 13.16). El cido es identico al descri to. en
el caso de 1a maquina que se calienta con vapor
a agua caliente: la disposicion de los compo.
nentes es similar. Las eficiencias deluso de la
energfa son, asirnismo.v, aproxirnadamente
iguales. .
..
Esta rnaquina se fabrica como una combinaciori de enfriador y calentador de agua. D{i.••..
rante el cicIo de calentamiento, e,~'generador
d~ la primera etapa sirve como una caldera de .
j-.
:",1
Figu ra 13.14. Operacion del concentrador de dos
etapas. (The Trane Co., La Crosse, WI)
.~.
t
!
ii
,,',
,'"
Objetivos I 335
Figura 13.15. Dlsposicion del enfriador de absorci6n de dos etapas. (The
Trane Co., La Crosse, WI).
petroleo combustible. El vapor refrigerante fluye a
un cambiador de calor de agua caliente de u.n
sistema de calefaccion de espacio, y a un cambiador de calor interno de agua caliente, en
donde cede su calor latente y se condensa.
El equipo combinado de enfriador y 'calent~dor de absorcion dedos etapas, con aplicacion
direeta del calor del combustible, constituye
una opcion factible en doride'se dispone de gas
o aceite combustible, y. adem~s se necesita
to de enfriamiento
como-de calefaccion. Los ..
costas inicialespuederi ser menores que cuando se adquiere por separado el equipo enfriador y el equipo ealentador, y las necesidades
de espacio, por 10 corrnin, son rnucho menores.
Existe asimismo unaversion de' esta maquina
que utiliza el gas de escape p~ra recuperar el
calor. Alii donde sedispone de gases calientes
de combustion, que.de otra manera sedan gases de desecho, esta rnaquina puede constituir
un recurso fiUY iitil para conservar la energia.
vapor con combustion
directa de gas
0
tan-
13.17 Enfriadores de absorcion
, , de bromuro de litio de baja.
capacidad
Los ~~friadores de agua, c~erefrigeracion por
absorcion, ~e'fabrican ;;idemas en uriidadespe-
querias, cuyas eapacidades varian aproximada'mente desde 3 hasta 25 toneladas (figura
13.17). Estas unidades operan por el mismo
principio de absorcion ya descrito, can eva porador, absorbedor, generador y condensador.
Se fabrican para utilizarse can una fuente de
calor de vapor 0 de combustion directa.
En la figura 13.17 se muestra una unidad
equipada con un generador de combustion directa. La solucion fluye del generador a un se,parador.':-El'!
este dispositivo,
el vapor
refrigerante se separa de la solucion concentrada, y fluye al condensador, mientras que la
solucion fluye de nuevo al absorbedor. En algunas unidades el flujo se obtiene por las Iigeras diferencias en la densidad y la presion en
el .sisterna, de rnanera que no es necesario utilizar bombas.
13.18}. EI sistema de absorcion de
agua y amornaco
En el cicIo de .refrigeracion por absorcion, de
agua y amoniaco, este es el refrigerante, y eI
agua es el absorbente. El sistema opera a presiones elevadas. Por ejemplo, si la temperatura
de evaporacion es de 38°F, la presion correspondiente de saturaci6n del amoniaco esde
59 Ib/pulg2 manomet. Las presiones en el la-
,,i
I'
i
I
l,
Agua helada --;..-
Agua de
enfriamiento
~
Absorbedor
Agua caliente
tt
Cicio, de calefacci6n
.....
"
.
.
i:. ;
.•
'"
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",J.
·f·"
;
.....!
-,
:; .'
',:;:
-i-Gas 0 aceite
combustible
'--_--'I Vapor refrigerante
I\:' ",' I Liquido
1Soluclon
refri~erante
Figura 13.16. Oornbinacion de calentador
combustion directa. (Gas Energy Inc.),'
I Soluci6n diluida
concentrada
y enfriador por absorcion de dos etapas. en el que se aplica la
,
336
"
' ,,'
Objetivos I 337
. ';.':'.
_.:,
:"','.'
: ,~~
COtnROt. OE LA
CONCENTRAC'ON
i.
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r' '.
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.,< !,:"_r_
.: ;.,
FiglJ'~~13.~1l-,,;§~fdador:,pqr
absorc:i6~:d~'poca capacidad ,i d-e::,tiBr y ~guaj; 'en el cual ;~~.aplica la
corri~ustiqn:,airecta,' (Rei'rripreso can p~rmiso 'de
Equf'pmerf_ASHARI\.E H~ndbbok & F!rq~i.Jct Diree-
tory;deLr~l7qJ979). '
~',
, "..
.i:r!·
do de 'alta son' de aproximadamente
300
Ib/pulg2 manomet.
.En la figura 13;18 se muestra ladisposiciori
esquernatica de 'un sistema de absorcion de
'aglJa Y'amoriiaco. El.amoniacoIlquidoprocedente del condensador auna presion elevada,
se evaporasubitamente hasta llegar alas bajas
presiones y temperaturas en 'elevaporador. EI
refrigeranreseevapora amedida quegana tao
lor de la cargavLa solucion en el absorbedor,
absorbe el vapor de amoniaco, rnanteniendo la
,baja 'presion ,del evaporador. En tre el absorbedor y el generador se instala un carnbiador de
calor.'
.;" "',
·.i
Hasta ahora, elsisternaes identico al sistema de bromuro de litio y agua. Sin embargo,
cuando la solucion debil de agua y arnoniaco
se calienta en el generador, parte del agua se
evapora junto con el amorriaco, ya que ambos
fluidos.son volatiles. Es preciso separar el agua,
a fin de que no fluyajunto con elrefrigerante
hasta el condensador y elevaporador, Si esto
ocurriera, la capacidad de refrigeraci6n se reducirfa, puesto que el agua no se evaporaria
bajo las condiciones preserites en el evaporador.
'lEI vapor de agua, que esta presente junto
con el vapor de amoniaco que sale del genera·
dor, se remueve en dos etapas, median te dos
dispositivos llarriados analizador y 'rectificador,
EI' anaHzador"consiste 'en un cambfador de
calor'friitiladq' en:':~I"ge~ei-adaj-.·
~a{:Sq14cioh
fria prob~aerrte 'del' 'ibso'rb~'d~{ flityi:!"~.traves del analizador, enfriando asi la m~zcl!a
de vapor de agua y vapor de amoniaco. De
esta manera, se condensa una parte del vapor
de: agua.:
_,;
.f'
• "
,,'
.EI' vapor que sale 'delgeneradnr fluye entoncesa otro+cambiador de 'calor, que constituye elrectificador. Aquf, la mezcla de vapor
se enfria mediante' el uso de agua frfa; Ia cual
condensa cualquier cantidad remanente- de
vapor de agua. E1 agua regresa entonces al
generador,' y el refrigerante fluye al coridensador'.
.
, ,'i
i
13.19 Conservacion de la energia
La maquina de absorcion utiliza considerablemente mas energia por unidad de refrigeracion producida, que las unidades accionadas
con un compreso[; E1 rendimiento se puede
mejorar considerablemente can el uso de rnaquinas de absorci6n de dos etapas, pero por 10
generalla ventaja queda todavfa a-favor de la
unidad que utiliza eI compreson Sin' embargo,
338 I Refrigeracion
pOT
absorci6n
PREGUNTAS DE REPASO
".'
..
Figura 13.18. Disposicion de un.enfriador de agua,
de absorcion, que uti~iza,~.ma.;soltlciqn.
(j,e agua y
amoniaco. (Reimpreso con permldo de Equipment
ASHRAE Handbook 8. Product Di;ectory del ailo
1979) ... '
,.
'.
, .', ."
..
cuando se dis~one de calor de escape, la maquina de absorcion resulta muy practica, puesto
que no se usa. cantidad algirna de energia nueva. Por la misma razon; se debe considerar el
uso de Ia energia solar, como una fuente alternativa de calor, para la~ maquinas de abo
sorcion.
EI consumo de energia se reduce cuando
se trabaja a cargas parciales, pennitiendo que
disminuya 141 ternperarura del agua de enfriamieuto, pero se debe tener cuidado de que
no baje excesivanjente. dando lugar a la cristalizacion.
La disposicion de un economizador de carga parcial; el cual reduce el flujo de la solucion,
mejorara de manera significativa la eficiencia
de la: energia;
A fin de evitar la perdida de capacidad, es
necesario efectu ar a intervalos J-egulares, la
purga del aire presente en Ia maquina,
.L ~Como seobtiene 1a refrigeracion en_,un· .
sistema de absorcion?
2. ~Que tipos de fuentes de energia son particularmente apropiados para uti1izarse
en las >iTi'iquinas' de' absorcion?
.
3. ~Qi.lees un proceso de absorci6n?
:':
4.. ~Cuales son..los paresde sustancias que
son apropiados para 'urilizarse en. los SIS·
ternas de absorcion? ~Cuaies se utilizanen
las maquinasde
absorcion .para el- £lire
acondjcionaa~?:(Cual
de'Ias dos sustan ..•..
cias es el 'refrigerante? . '.' '. 'i
':
".
5. Explicar qu~ ~s 'una solucion concentra-:
da y una soluci6n diluida.
6. ~Cuales son los cuatro componentes basicos de una rnaquina de absorcion?
7_ Describir 1a accion que tiene lugar en el
evaporador y en el absorbedor.
•
. 8. Describir la accion que tiene lugar en eI .
.• generador y en' el condensador,
"
9. (C6m~ se obtiene la expansion de la presion. elevada a. la presion baja? ': .
'
10. (Cual es la funcion dei cambiador de ca- •
lor? Dibujar su circuito,
.:' .
11. Dibujar el circuito del agt.Jade enfriamiento. (Cuafes son las fuentes de calor en el
.. absorbedor?
.".'
12. ~Cmiles son las'caracteristicas deseables e,
indeseables de los pares de brorfiuro de:
litio y agua, y de agua y amoniaco, en 10 ..'
que concierne a la refrigeracion por abo .
.,
;l
. sorClOfl.
13. ~Que es la cristalizacion>, (Que efectos <
puede tener?
14. ~Cuales son las bombas que se utilizan en .
las ruaquinas de gran capacidad que ope-v.
ran can bromuro de litio?
15. ~Por que se utiliza una solucion de con
centr.aci6n intermedia en el absorbedor?
16. Explicar c6mo se controla la capacidad de
refrigeracion en el enfriador por absorci6n.
17. Explicar el funcionamiento de un econo- .:
mizador a carga parcial.
.
Problemas I 339
18. lQue representa la gd.fica de equilibrio?
lCon que fines se puede u rilizar?
.•J 9. lCuales son las posibles causas de la cr istalizacion? lComo se puede controlar?
20. (Que es una maquina de absorcion de dos
etapas? ~Cu;ilesson las razones por las que
. se utiliza? (Cuales son las ventajas de una
maquina en la que se aplica la combustion
directa del combustible?
21. (Que problema se presenta con la uti lizacion del agua y el amoniaco en el ciclo de
refrigeracion por absorcion? lComo se reo
suelve?
Capitulo
1
LA CARGA DE
REFRIGERACfON.
~QUILIBRfO DE LOSCOMPONE:NTES
",.'
.
;',
1\
i:_l_:'
'"
En este capitulo se explican los procedimienLa c~rgaes el resultado de las ganancias de catos que
utilizanpara calcular la carga de relor a partir de varias posibles fuentes, las que
fHgeracidil. Se explican tan~2.' l~~ "rhe(odos
es posible ciasificar convenientemente segun
detallados de calculo, como el .metodo simplilas siguientes categorfas:
ficado, utilizados a menu do en refrigeracion. .,;
Se describe asimismo la manera.como se utiliza
1. Transmision de calor a traves de, paredes,
la carga de refrigeracion para seleccionar el
. pisos, cielo raso otecho.'
.
equipo ci:e refrigeracion, asi como)o 'apr9pi,~2. Calor procedente de Ia infiltracion 'de aire
do y' el-balanceo de: los 'componentes- del
caliente a traves de las -puertas del refriequipo. ;.'
gerador.
3. Calcr.procedente del'producto que. se va a
refrigerar,
4. Gananciastermicas de fuentes internas, que
no sean los productos. Estas inc1uyeil por 10
tr est)1dio de, este capitulo perrnitira:
general, el.calor prodiicido por la gente, las
lamparas y los motores.
1. CaIcular larcarga derefrigeracion para una
14.2 Transmiaion del calor
aplicacion: dada. ... .
.. ,
2. Seleccionar las unidades deenfriamiento.
La gan<!-l1ciade ~.la transmision.
calor al
3. Hallar.Ia cp'ndici6nde balance p<J.ralos comespacio rC:!frigerado, eselresultado de la c?n·
ponentes del sistema de refrigeracion.
·1
duccion y, la.conveccion a traves de las su perfides circundantes co;nci"consecuencia de la
14.1 La 'carga de refrigeracion"
diferencia de. temperatura. .Se calcula median te
la ecuacion de la transferencia de calor (6.5),
La carga de refrigeracion es la cantidad de
discutida en el capitulo 6.! '
remocion QC:!
calor del espacio refrigeraNo 'Obstante, para facilitar los calculosde la
do, que serequiere para mantener 'el escarga de refrigeracion, se han. ~alculado his gao
pacio .'0 .el producto a las condiciones
'nancias
en Ia transrnisiori de 'calor; 'm'edian te
deseadas.
se
i._;;
",:
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OBjETWOS
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~:', "
_'.i ',:-_
.r,
de ~
-t,
3,41
Tabla 14.1 Ganancias par transmisi6n de calar·(Btu/pie2 par 24 horas)".
Diferencia de temperatura en of (temperatura ambiente-temperatura de a/macenamiento)
Aislamientob
Espesor,
en
pu/gadas
Faclor
Ke'
0.30
0.25
0.20
0.16
0.14
0,30
0.25
0.20
0.16
0.14
7.2
6.0
4.8
3.84
3.36
10 20 30
40
45
50
55
72
60
48
38
34
288
240
192
154
134
324
270
216
173.
151
300
240
192
168
330
264 288 312
211 230 250 269
185 202 218 235
198 216 234 252
165 180 195 210
132 144 136 168
106 115 125 134
92 101 109 118
144
120
96
77
67
216
180
144
115
101
60
65 70 75 80 85 90
95
100
lOS
110 115 120 125
288 307
252 269 286 302
270 288 306
108 144 162 180
90 120 135 150
2~~ 2~d 255 270 285 300.
180 192 204 216 228 240 252 264 276 288 300
72 96 108 120
144 154 163 173 182 , 192 202 211 221. 230 ,240
58 77 86 96
50 67 76 84
126 134 143151· 160 ' 168 176 185 193 202 210
3
0.30 2.4 24 48 72 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240 252 264 276 288 300
80 90 100 110 ;20 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
0.25 2.0 20 40 60
144 152 160 168 176 184 192 200
0.20 1.6 16 32 48 64 72 80 88 96104 112120128136
51 58 64 70 77 83 90 96 102 109 115 122 128 134 141 147 154 160
0.16 1.28 13 26 38
45 SO 56
62 67 73 78 84 90 95 101 106 112 118 123 129 134 140
0.14 1.13 11 23 34
.4
153 162 171 180 189 198 207 216 225
0.30 1.8 18 36 54 72 81 90 99 108117126135144
JI?,5) 1.5 15 30 45 60 68 75 83 90 98 105 113 120 128 135 143 150 158 165 173 180 18S
0.20 1.2 12 24 36 48 54 60 66 12 7S 84 90 96 102 108 114 120 126 132 138 144 150
53 58 62 68 .72 77 82 87,. 91
0..16·Q.S6.,10 19 29 38 43 48
96 101 . 106 111; 115 120
0.14 0.84. 9 17 25 34 38 42 46 50 55 59 63 68 71 75 80
84
88 92 97 101 lq5
,.
';1:;
..
5
0.30 1.44 14 29 42 58 65 72 79 87 94 101 lOa 115 122 130 137 144 151 159 166,.172 180
72 78 84 90" 96 102 108 114 120 126 132 138' 144 . 150
0.25 1.2 12 24 36 48 54 60 66
0.20 0.96 10 19 29 38 43 .48
53 ,58 62 67,72 n,82
96 101:.106.,1.10'115 120
96 91
0.16 0.76 8 15 23 31. 35 38 42 46 50 54 58 61 65 69
73
77
81 84 88 92 96
0.14 0.67 '7 13 20· 27 30 34 37 40 44 47 50 54 57 60 64
67
71 74 77 81 84
6
0.30 1.2 1'2 24 36 48 54 60 66 72 78 84' 90 96'102 '108 114 120 126 132 138 '144' 160
0.25 1.0 10 20 30 40 45 50 55 60 65 ·70 75 80. 85 '90 95 ,·100 105 110 1:15 120..125
0.20 0.8
8 16 24 32 36 40 44
48 52 56 60 64 68 72 76
80
84 88. 92 ·96 100 .
0.16 0.64 s 13 19 26 29 32 ..35 38 42 45 ,48 51 54 '58 61
64
67 70 .. 74 · 7',. ao
0.14. 0.56. 6 11 17 22. 25 .28 31 34 36 :39, 42 45"'48 .50 53
56
59
62 64 67 70
7
0.30 1.02 10 20 30 41 46 52. 57, 62 67 72 77 82 88 93 98 103 108 113 118 124 129
0.25 0.85 9 17 26 34
39 43 47 51 56 60 64 51. 73 77
81
86
90 94 99 103 107
2i
31 34' 38 41 45 48 51 55 58 62 65
0.20 0.68 7 14 21
69
72 75 79 82 86
54 69 63 68 72 77 81 86
0.30 0.90 9 18 27 36 41 45 50
8
90
95 99 104 108 113
0.25 ·0.75 8 15 23 30 34, 38 41 45 49 53 56 60 64 68
71
75
79 ,.83 86 ,90 ~94
0.20 0.60 .6 12 18 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57
60
63 66 69 72 75
9
0.30 0.80 8 16 24 32. 36 .40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
80
84 88 92 .96 100
0.25 0.67 7 13 20 27 30" '34 37 40 44 47 50 54 57 60 . 64
67
70 '74 77 ·80 .'84
0.30 0.72 7 1'4 21 29 . 3'2 ..36 40 43 47 50 54 58 61 65 68
10
72
76 79 83 86 90
0.25 0.60 6 12 18 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57
60
63, 66 69,. 72 75
40 43 46 50 53 56 60 63
11
0.30 0.65 6;5 o1J .19.5 .26 ''3D 33 36
66
69 73 ,76 .79 82
22 25 28 30 33 36 39 41 44 47 50 52
0.25 0.55 5.5 11 17
55
58 61 ~
66 69
12
0.30 0.60 6 12 18 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57
60
63 . 66 69 72 75
0.25 0.50 5 10 15 20 23 25' 28 30 33 35 38 40 43 45 ·48 50 '53 55 58 '60 63
' .
.Vidrio ...ncillo
27' 27()540 810 1080'1220 1'3501490 1620
Vid,jo doblo'
. 11 110220330
440 500, 500 610. 660 715 770825 880 936 990 1050 1100 1160 1210 1270 1320 1375
Vidrio tripls
7 70 140 210 280 320 350 3!:!0420 454 490 525 560 595 630 665 700 740 770 810 840 875
2
3.6
3.0
2.4
1,92
1.68
36
30
24
19
17
72
60
48
38
34
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A,,,.
dei p;sa menor de 144 pie2
Area del pisa' rnayor de 144 pic2
6
60 120 180
240 270
4,5 45 90 135 180 203
f·;
a Para un piso de concreto de 6 a 8 pulgad,Bs de espesor, cotaco sobre el terre no y sin aislamiento, utilfcese .'a DT entre ta temperatura
Eilverano y la temperatura del local.
1i
(Nota: 1:6 anterior no se recomiende para conqeladores 0 entriadores que operan cerea de la temperatura de eongelaci6n. Se recomienda utilizar
en todos los enrriadores y conpeladores (utilrcense .el ,espesor del eislamiento y la DT del cuarto para determiner la temperatura de la I05a).
b Aislamienl0 Ok = 0.30, ptenchas de corcho, iana mineral.
.
I:
f i
ii
I'
1,
l
!
i
1
~.
k
k
k
k
= 0.25. fibre de vidrlo, espuma de estireno. poliestireno
expandido.
= 0.20, poliestireno moldeado.
= 0.16. uretano espreado, hojas. losas y paneles de espuma de uretano,
= 0.14. paneles de uretano (espumado (expandido) en ellugar).
C factor ken Blu/h/pie2/oF/pulg
Cortesia de Dunharn-Bush, Inc.
promedio del terreno en
psos' aislados
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"1
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..
'j
:.{
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'
..
..,
1
.J-c
.,
Objetivos J 343
la ecuacion 6.5, para diversas temperaturas y
coeficientes de transmisi6n de calor, y presen·
tadas en la tabla 14.1.
Los valores de las ganancias de calor en Ia tao
bIa 14.1, se presentan en Btu par pie cuadrado de superficie exterior, para un periodo de
24 horas. Para hallar la ganancia total par
transmision de calor a traves de cuaIquier suo
perficie (paredes, plafon a piso), se multiplica la ganancia calorica por pie cuadrado, par
el area. Las ganancias incluidas en la !ista son
para 24 horas, en lugar de 1 hora, debido a que
as! se simplifica la seleccion del equipo, como
se explica mas adelante. La conductividad termica, k, de los diferentes materiales aislantes,
se indica en las notas al pie de la tabla. Los
espesores minimos recomendados para eI aislamiento, se presentan en la tabla 14.2.
Los valores de la ganancia de calor no incluyen efecto alguno derivado de la radiacion
solar (efecto del sol), el que se discutira mas
adelante.
Ejemplo 14.1. Una carnara frigorifica tiene dimensiones exteriores de 10 pies de ancho x 12
pies de largo x 8 pies de alto. La diferencia de
temperatura entre el exterior y el refrigerador
es de 60° F. Las paredes y el plafon estan aislados can 4 pulg de poliestireno moldeado.
(eual sera la ganancia de calor a traves de las
paredes y el plafon en 24 horas? Nose tiene en
cuenta el efecto solar.
Solucum La tabla 14.1 indica que el po Iiestireno moldeado tiene una conductivi dad
termica, k = 0.20. La ganancia de calor en
la lista es de 72 Btu por pie cuadrado por
24 horas. EI area total de las .paredes y el
plaf6n es:
2 (lOx
8) + 2 (12 x 8)
+ 10 x 12 .- 472 pie~
La ganancia terrnica es:
Q = 72 Btu/pie'' por 24 h· x 472 pie2
= 33,980 Btu por 24 h
Si las paredes 0 el techo estan expuestos al
sol, es preciso hacer una correccion a la temperatura actual, utilizando la tabla 14.3. Esta
correccion tendra en cuenta el aumento errla
transmision de calor debido ala ganancia po~
el calor solar.
" .
,. .
.',
.
Tabla 14.3 Correcclon par etecto solar".
Tabla 14.2 Espesores rrunlrnosde aislamientorecomendadas.
Temperatura de
almacenamiento
of
Espesor del corcho 0 su
equivalente (pu/gacJas).
Norte de los
Estados Unidos
_
Sur de los
Estados Unidos
Tipo de :;upcrficie
2
3
4
5
6
7
9
Cortesia de Dunham-Bush, Inc.
P.rc.d
Pared Techo
Est.
Sur
Oeste plano
Supcrticies de cotores OSCUfQS, tales ccrno:
tecno de plzarra
Techos cuoiertos con papel aJquitrann.do
Pintura negra
SupedlCies
de cotores inlermedos, tales como:
6
4.
B
20
6
15 .
Madera sin pintar
ladnllo
iejas rojas
".(.
15 a 60
40 a 50
25 a 40
15 a 25
o a 15
o a -15
-15 a -40
Pared
Cesnento oscuro
3
Pinlura roja, gtis 0 verde
4
5
6
7
Superficiesde colores clares, ratesalma;
Piedra blanca
Cementa de colores tlaros
Pintura blanca
8
10
.EI
Grados Fnhrenheit que se ~marAn
2
a ta di1erenc;:ia normal de I(!mperalura en los, calC\Jlos
de las pl!rdidas de' calor a (I" de compcnsar 01electc !iOIilr; no deoofi1n usarse en eI diselio
deJair~ acondicionado.
..'
.
Cortesi. de Dunham-eush, Inc.
344 I La carga, de refrigeraci6n
Tabla 14.4 Condiciones exteriores de .dlsertopara refrigeraciona
Temperatura, de dis8f!O, en los Eslados Unidos
Inviemo
, Verano
Eslado
Alabama
au/bo
Bu/bo
Bu/bo "
seco, ,OF
bumedo, OF
seco, ~F
97
79'
19
96
60
26
62
75
64
66;
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105
101
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Fairbanks'
Alaska
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Arizona
;Pho~;ix
Arkansas
Tucson
Fort Smith
California
Little Rock
, Bakersfietd
"
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" Oakland,
San Francisco
610..
211
436
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17
7'7
31
1117
'74 '
, 29,
25~4
15
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73
28
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94
72
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85
80
65
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64
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449
80
72
103
101
Fresno
en pies,
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79
99
Allura sobre el
, nivel del mar
3., '
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'I',,·
Colorado
Connecticut
65
92
90
88
Denver
Hartford
New Haven
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1
77
77
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5283
15
5
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Delaware
District 01
Columbia
Florida'
93
93
79
79
13
12
38
Wilmington
Washington
94
78
t5
14
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Idaho
Illinois
.,
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87
96
Boise
Chicago
Peoria
94
94
95
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Fort'Wayne
93
Des Moines
Sioux City
Dodge City
Louisiana
Bangor
Portland
Baltimore
Massachusetts
Boston
Springlield
Michigan
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Grand' Rapids
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lansing
6
9
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Terre Haute
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Indiana
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Key,West
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Dover
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'
Objetivos I 345
Tabla 14.4 Continuacion.
Temperatura de dis'eno. en los Eslados Unidos
tnvietno
Verano
Eslado
Ciudad
Bulbo
seco, of
Bu/bo
bcmeao, of
Minnesola
Duluth
85
,73
92
Mississippi
Minneapolis
Vicksburg
77
80
Missouri
Kansas City
Monlana
SI. Louis
Billings
Helena
100
96
97
Bulbo
seeo, , of
AI/uTa sobre el
nivel del mar,
en pies
-19
-14
23
1426
822
234
4
7
:.l
79
79
68
-10
65
-17
742
465
3367
3893
91
78
79
64
75
-4
-5
12
-11
1150
978
4490
339
Atlantic City
Newark
Trenton
91
78
14
94
77
11
92
78
Albuquerque
Sante Fe
96
12
14
90
66
65
·91
, 76
88
75
Nebraska
Lincoln
Omaha
Nevada
Reno
Concord
New Hampshire
94
90
100
97
95
-;
,,'.'
New Jersey
New Mexico
~ ~
..
11
11
144
5310
7045 ',;
7
-';:'~
..."". .
New York
Albany
Buffalo
New York
North Carolina
North Dakola
Ohio
77
11
91
75
78
79
52
18
16
23
93
Bismarck
95
Cincinnati
94
Cleveland
Columbus
91
92
92.
92
96
95 :
Dayton
Toledo
Oklahoma
Oklahoma Cily
Oregon
Tulsa
Portland
Pennsylvania
,93
Asheville
Charlotte
Raleigh
Wilminglon
102
102
91
8
1647
761
2
777
2
212
997
74
78
76
77
77
72
-24
o
900
78
79
69
11
1280
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7
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2
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76
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26
95
97
96
77
77
19
-16
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-9
95
77
-14
97
78
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75
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12
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Providence
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Charleston
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South Dakota
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95
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Sioux Falls
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346 I La carga de refrigeraci6n
Tabla 14.4 Continuacion,
iemperalurade diseno, en los Eslados Unidos
Verano
/nvierno
Bulbo
seco, OF
Bu/bo
tiumedo, of
Galveslon
Houston
San Anlonio
91
96
99
32
80
Ulah
Vermonl
Virginia
Sail lake Cily
Burlington
Norfolk
Richmond
Roanoke
Washinglon
SeaUle
Spokane
Charleston
Parkersburg
Green Bay
Madison
Milwaukee
Cheyenne
Eslado
West Virginia
Wisconsin
Wyoming
Ciudad
Bulbo
seco, OF
Altura sobre e/
nivel del mil(
en pies
77
32
29
25
5
158
792
97
88
94
96
94
67
74
79
79
76
5
-12
20
14
15
4220
331
26
152
1174
81
93
92
93
88
92
90
89
69
66
76
28
-2
9
8
-12
-9
-5
-6
14
2357
939
615
6B3
B5B
672
6128 .
77
75
77
77
63
Temperaturasde diseno, en el canada
Invierno
Verane!
Provincia
L'·
,:'::"
r·
Ciudad
Bulba
seco, OF
Bulbo
bomeao. OF
Su/bo
seeo, OF
Allura sobre·el
nivel del mar
en pies.'
Alberta
Brilish Columbia
Maniloba
Calgary
Vancouver
Winnipeg
87
80
90
66
68
78
-29
15
-28
3540
60
786
Newfoundland
Northwesl
Territories
Nova Scalia
Ontario
Prince Edward
Island
Quebec
·Gander
85
69
-5
482
Fort Smilh
Halifax
Toronto
85
83
90
67
69
-49
77
-3
665
136
57.B
Charloltelown
Montreat
Quebec
84
88
86
71
75
75
-6
-16
-19
186
98
245
Saskalchewan
Yukon
Regina
While Horse
92
78
73
62
-34
-45
1884
2289
'.,'
0
..,
Cortes'ade Ounham'Bush,Inc.
• las ternperaturasBS y BH para 01disenode veranoequivruena eKCooen al t% d. cuauo meses del verano (rurededor cJe 30 horas):las
10mperalurasBS para el invierno,equillaJen0 excedenaI 99% de tres mesas del invlcrno(allededor de 22 horns).
La temperaturadclterrena (GT)en los cdlcutosde un cuarto rclrigeradapara almacenamiento,se pueden "proximar para el lnlervalo de - 30
iI + 30' F. EI bulba seeo (85) para eI GT on cI dise~od. inviema ser~n: 'f _ 65 + TBHrl.
Ejemplo 14.2 EI techo de una camara refrigerada esta expuesto al sol. La diferencia actual
entre el exterior y Ia camara es de 70°F. El
techo esta pintado de verde. ~Que diferencia de temperatura se debe usar en la tabla
14.1 para calcular la transmision de calor del
techo?
Solucion Mediante la tabla 14.3 se deterrnina que la superficie del techo se encuentra
en Ia c1ase intermedia de color, y la correccion de temperatura para el efeeto solar
es de 15° F. Por consiguiente, la difereneia
corregida de temperatura es: 70 + 15 =
85° F.
Objetivos I 347
La tabla 14.1 tambien indica las ganancias
de calor a traves de las puertas de vidrio de las
vitrinas refrigeradoras.
En el caso de carnaras refrigeradas con pisos de losas de concreto aisladas, tambien es
posible utilizar dicha tabla, excepto si la losa
es calentada, pero considerando que la temperatura exterior es la temperatura de verano del
terreno. En el caso de camaras de congelacion,
con frecuencia la losa del piso se calienta pa·
ra evitar que el agua del suelo se congele (la
expansion del hielo podria levan tar y romper
la losa de concreto). Cuando el piso se calienta, se considera que la temperatura
del terreno es de 55° F. No se recomiendan
los pisos
de losa sin aislamiento,
En la tabla 14.4 se registran las condiciones
exteriores que se recomiendan para los calculos de refrigeraci6n.
,
,
Ejemplo 14.3. Una losa de pi so no calentada y
colocada sabre el terreno tiene un aislarniento de plancha de corcho prensado de 3". El
cuarto para almacenamiento en frio, situ ado
en Des Moines, Iowa, se mantiene a 40° F.
~Cual sera, la ganancia termica del piso porpie '
cuadrado de area?'
' "
Solucum La temperatura de verano es de 60°
F, de acuerdo con la tabla 14.4. Por 10 tanto, la diferencia de temperatura es: 60 - 40
'i::::: 20° F/'
•, "
,Con Iatabla 14.1, para el tipo ,y espesor
" del aislamiento indicado, se deterrnina que
- la ganancia' 'calorica es, de 48 Btu/pie 2 por
24 h.
preciso remover mediante el equipo de refrigeracion. Esta carga incluye el calor sensible
del aire infiltrado y el calor latente de condensacion del vapor de agua presente en el aire.
Las ecuaciones para calcular la carga se hallan
desarrolladas en los textos sobre aire acon dicion ado. Para su uso en refrigeracion, los
resultados han sido ordenados en una forma
conveniente, como se muestra en las tablas 14.5
y 14.6.
La tabla 14.5 indica la cantidad de infiltracion de aire dentro del cuarto, expresada como cambios de aire cada 24 horas. Esto es, e)
mirnero de veces que se cambia el volumen
del aire de la habitacion cada 24 horas. Notese quela cantidad de infiltracion es diferente
para las habitaciones contemperaruras por encima.y por debajo de 32? F. La infiltracion varia asimismo con la frecuencia con que se abra
la puerta, como ya se ha indicado.
"
La tabla 14.6 muestra el calor removido
al enfriar un pie cubico de aire, des de las
condiciones exteriores hasta las condiciones
en el recinto de almacenamiento. El uso de
las tablas en el 'calculo de la. carga termica
de infiltracion se ilustra en el siguieri~e
eJ~rI1:pl~.
"'
Ejemplo 14.4. Un cuarto para' alrnacenamierito
en frio mantenido a 20° F, tiene un volumen
de 1500 pies ciibicos. Las condiciones del,aire
exterior son d~'90o F y 50 pOI' ciento de
(humedad relativa);: ~l. almacenamiento del
producto es relativamente corto. Calcular la
carga calorica "de - infiltracion a traves: de
la puerta.
HR
14.3 Infiltracion del aire
Cada vez que se abren las puertas del reo
frigerador, tiene lugar la infiltracion de aire
desde el exterior. La ental pia (contenido de calor) de este aire, en el verano, es mayor que la
del espacio refrigerado. La diferencia entre
la ental pia del aire qlle se infiltra y la del espacio representa una carga de calor que es
Solucum. De acuerdo con la tabla 14.5, hay
11 cambios del aire de la habitacion cada
24 horas. Expresado en pies ciibicos de aire,
esto es:
pies cubicos de aire = ruimero de cambios
de aire x vohimen de la habitaei6n, pie3
Tabla 14.5 Infiltraci6n de aire en cuartos Irlos para almacenamiento.
,
Promedio de cambios de aire por 24 horas en cuartos de almacenamiento a temperaluras
mayores de 32°F, debidos a la abertura de, la.puerta ya /a infiltraci6nQ.
i
(
f·
I
I
I'
i:
{
~-.'
voiumet:
de elre,
Cambios
de aire
'pii:is
ctibicos
'
par 24 h
Volumen
de aire,
pies
C;ambios,
de aire'
. cebico«
por 24 tt
200
44.0
250
38.0
300
460
34.5
29.5
1500
2000
500
·26.0
600
23.0
BOO
i'
votumen:
: Volumen
de eire,
pies
ctibicos
20.0
W99..>o,,~·. '. 1Z.5
5000
6000
BOOO
3000
12.0
'. 9.5
10,000'
15,000
4000
B.2
1'4.0
Cambios
de aire
par 24 h
de eite,
Cambios
de aire
'pbr 24 h
pies
cubicos'
:
4.9
25,000 ',
30,000·
40,000
50,000
3.9
75,000
7.2
6.5
5.5
<3.0 .\
2.7
'2.3,
2.0
1.6
..
,
• ~~~.:::';l·i~',:..~:•.•
100,000
3.5
20,000
1.4
'1.13"'
0.97"
350,000"
.;
700,000'
a
.. ,
Profrlf~dio de cambios de aire por 24' hbras en cuaitos de' almacenamiento
temperaiuras
,','menores de 32"F, debidos a la.abertura,de la puerta ya la infiltraci6nb.
VollJmen
de air:e,
. pies
cubicos
Cambios
de aire
por 24h
,' VolUmen' , . , . ,
Volumen
a/re,.
pies
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1
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13.S:·
.26.2
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1500
2000
3000
11.0,
9.3
300;
400
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15.3 '
BOO
24
2.3
2.1
1.B
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. ,Cam,~ios .
de aire
25',0'60'
5.6
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,13000, ;~:
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cubicos
de aire
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'
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por 24 h
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facl~r de ~e':';ic'!ode 2. P~raun perrodo liugo de almaci; ,
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mulliplicanl~s.v~lorfsa~leriorespor,u,n,faclor,de.
se~lp'\ode 2. Para perrodo lar(l? de}lmac&, '
namierilo, se'mulliplicanpor 0.6. Si hay 2 puertasen la misma pared, se mulliplican por 1.25, Para el caso de 2 puertas
situadas en paredes opuestas, se mulliplican por 2.5, pero no 58 deo~h perrnltlr dos puertasabiertas en paredes adyacenles U opuestas,
C Extrapolado
,_, .':
Cortesla de Durh~m'l3ush,Inc.,
narnlsnto:
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J.abl'a
'14.6
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Temperatura dc' eite e::derior. OF
Te~/'D(ur~
del cu.rto
65
60
55
;;',
C~16r removid6 ~rehfrr8:r ~I alre exterior hasta la temperatura del cuarto de alrnacenamiento,
L
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Icm~~;lJiwa
95' .
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50
60
50
0.85
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1.13
1.41
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1.51
1.50··., '1.73'
, 1.\;9;
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1.86
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0,71
0.85
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4.00:
2.29
2.38",1,4,21
~.6i
so
4.01:
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3,85
• 4,1B , ,A,55
'1.30
4.7I!
4.51"
4,90,
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3.54· .,.
3:73'" i
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4.57
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4,66' "
. 51(j.:,,l.
5.21
5.44
"
348
•
i;',
. ;~'.::.
TCI
:::::11.0 x 1500
=
:::::16,500 pie ' por 24 h
. Mediante la tabla 14.6 se observa que se eli.. minan 2.62 Bt~ al enfriarcada pie cubico
.de aire, desde las condiciones exteriores
.hasta las de habitacion. Por consiguiente,
. la carga calorica de infiltracion es.
,,':',
Carga calor ica :::::2.62'.Btu/pie3'
x 16,500 pie ' por 24 h
cambio de la temperaturadelproclucto por encima de Ja congelacion, de la
temperatura inicial a la temperatura fi·
rial, OF.
Si se va a congelar el producto, entonces la
"carga se com pone tambien del calor latente de
fusion y el calor sensible del enfriamiento del
producto congelado por debajo de .l~ t~mpe·
, ratura de congelacion,
La rernocion del calor latente paraco ngelar el producto se determina a partir de la
siguiente ecuacion:
43,230 Btu por 24 h '
, (14.2)
en donde Q y m tienen el mismo significado
que en la ecuacion 14~1y hif es el calor latenc
.
.',
te de fusion del producto, Btu/lb.
.
Losproductos que se refrigeran se vuelven parPara hallar la -remocion del calor sensible
te de la carga de refrigeracion debido ados
al enfriar el producto despues de que este es
efectos. Pr imero, espreciso remover calor del,.,.. congelado hasta la temperatura de alma~en,Clproducto p?-ra llevarlo a las cqndiciones de aI- '; miento, se utiliza una ecuacion semejante ala
macenarniento. Esto se llama carga de enfriamien" ecuacionI 4.1, excepto que el calor especifico
to. Segundo: algunos productos (las frutas y las
es el del producto congelado, y el carnbio de
verduras) contimian emitiendo calor en contemperatura es desde el punto de cong~lac:i~n
diciones de almacerfamiento:.
hasta la temperatura final de almacena:mh!n:~EIcalc~lo del calor rernovido de los pro·
. to. Esto 'esta expresado por la ecuacioriLa.S.
ductos para llevarlosa las condiciones de almacenamiento, depende de Jfl:scondiciones
, '.'(14.3)
:,:,'
iniciales y finales. Si el producto se enfria a una
temperatur-a por ericima del punto de' conge,. . .donde:····
lacion, la <:arga equivale al calor sensible por
encima de la congelacion:
Q y m tienen el mismo significado que en .la
14.4 Carga de enfriamiento
del producto;,
','
;', l
Q
=
m x
CI
x TCI
(14.1)
ecuacion 14.1.
!:",'..
t:
donde.:: ..
Q
cantidad de calor removida del pro·
ducto, Btu, por 24 h ..
=
' .'
calor especifico del.producto por debajo del punto de congelacion, Btu/lb-vf'.
cambio de la temperatura del producto, desde el punto de congelacion hasta
la temperatura final, OF.
m == cantidad del producto enfriado, Ib/24 h.
calor especifico del producto, por
encima del punto de congelacion,
Btu/lb·oF.
La tabla 14.7 es una lista de las propiedades
.que se requieren para calcular la remoci0r: ~e calor con el fin de enfriar los productos.utihzandocualquieradelasecuaciones,
14.1,14.2,014.3.
350 I La carga de refrigeraci6n
Tabla 14.7 Propiedades de los productos perecederos y almacenamiento necesario.
Condiciones de DlmacenamielJ'o
Prod"CIOS {por
orden allaMlicc}
Manzarlas
Albaricoqucs
Alcacholas
E.p~"ago.
Aguacilles
Temperatura de
aimacenamienro.
of
30·40
31·32
31·32
32·36
45·55
Ptatanos
F,ijo1lve,dc 0 cjol.o)
Lima
CetvCliJ en banil.
en bOlcllas 0 en lalas '
BCI3~le!i. sin flOjil$
larzamor!l!i
A'~ndanos
Pan, horneado
m.oa
Btocoli, brOlos
Colesde Bluselas
Coles. lafdiils
Zana)lo,ias. sin"hOjilS. maduJ3S
Colillo,
Ap;o
Catazan L\.cidas.
duJces
Chocolate'leubienal
Cacao en poiYO
Cocos
Cale lvcrdel,
COiliz';d.1 . '
Maiz duleri (elote) "
Ardndi1I1D ilorio
Pcpinos
GrOSC~lils!.
PlodvelOs jolClc<>s'
ClUesO Chcddar
:OucsO pjocesado
Mcln!equiJliJ
Ciema
l ..
Helado
t.eche. onleta
Pasteutizada. G,iJdo A .
Condensada. azucarada
£vapomda
. Oilriles(secas)
Variedades dl! zarZilmOlO1S
Frulas secas
Bcrl!njenas .
Huevos. con taSC310n
Con eascarcn, en el .etligerador
dol" glanj.
C~)ngelados.erucrcs
Endibia (achicoria)
40·45
32,40
35-40
35-40
32
31·32
31·32
HumcdfJd
rclativa. %
90
90
9S.
95
05-90
35·40
32
32
32
. 32
32,
32
31·32
30·31
50·65
32,40
32,35
35,37
32
32
36,40
sa 55
31·32
40
40
40
1a
a moses
65·90.
95
95
3.72 noras
10. 14 dias
3 ilS semanas
95,100
. 911'100
95
95
90,95
90,95
,40·50
50·10
80,05
QO.D5
95
95
90,95
90·95
Ja4 rneses
5 a 9 rneses
2 a 4 sernanas
1 a 2 meses
3 a 7 dillS
2 a 3 semanas
·2 a 3 meso.
1 MO 0 m~s
1 a 2 rneses
2a4mcscs-·
10 a 14 dfa.
4a8dias
2.4 mesas
10.14 dias
10 a 14 dins':
so-as
65·70
65·70
75-BS
35,40
·20. ,15
32,34
40
Conten;do
de ag"ll, %
64.1
84.5
83.7
93.0
65.4
Puntade
congetacid"
m.isi1l{o, GF
29,3
30,1
29,9'
30,9
31,5
74,8
86,9
6O.S
30,6
30.7
31,0.
9O,;!
26.0
90.2
. 87.6
, 84.8
82.3
32·37
58.0
69.9
84,9
92.4
88.2
91.7
93,7
83.7
80.4
55.0
46.9
, H)-IS
86,9
73,g:
87,4
96.'1
84,7
6 meses
12 meses
1 mes
Z a 3 sernanas
J a 12 rneses
37,5
2 a 4 meses
15 meses
24 rneses
6.12 meses
3 di~
9 a 12 rneses
sic
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16,0
55-75
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28,0
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)4,0·26.0
30.1
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16·20
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30.9
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congclacion.
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CaIDl ",eme
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0.45
0.46
0.45
0,46
0.40
121
122
120
13494
0.00
0,91
0.73
0.92
0.42
0.47
0.40
100
120
94
129
0.90
0.80
0,06
0,70
0.75
0,92
0,B8
0.46
0,46
126
122
118
4&53
0.94
0.72
0,94
0.90
0.93
0.95
0,87
0,84
0,30
OAS
0,34
0.47
0,45
0.47
0,46
(},47
0,48
130 '
122
'132
126
132
135 .
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0.55·
40,
0,42
0,4,6'
0,49
0.45.
106
1,24,.. ,""
137
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0,58
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8,0
19,0
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31.0
21.0
'3i.o
5.0:
29,5
3.7:
.29.7
0.90
0.79
0,90
0,97
0,08
O,SO
0:50
0,50
0.66-0.60
0,S6-0,7(1
0,93
0.42
0,79
0,36
0,80
0,31·0,41
0,3) :
031
" I 0.25
,0,3&0,42
0,37·0,39
0.46
,0,28
0.42'
0.26
79-107
sir,; ,
-, ;..
" 125'"
40, i.
106
.29"'. '
40'
0032
31·32
32
750 me-nos .
90,95
5(}SO
45·50
29,31
90·95
BO·aS
7 a 10 dias
Sa 6 mescs
92,7
66,0
306
28.0
0.94
0,73
046
0.40
'132'
50·55
00 menos
32 '
70,75
2 a 3 semanas
Mas deun MD
2 a 3 semanns
66,0
74,0
93,3
28.0
28,0
31,9
0,73
0.73
0,94
0.40
0,42
0.46
96
106
132
a 12 rneses
10 dias
5 a 15 dias
6 a 6 mesas
Ja7dias
"ario·!;: alios
24,0
7B,0
62·85
27.6
28,0
80,87
.8,0
0,39
0.B2
0.70,0,86
0.70
0.83,0,90
61,3
B8,9
B8,S
Bl,9
81.6
30:5
30,0
30.0
29.7
28.1
0,69
0.90
0,91
0.66
0,86
95
Ajos. secos
Gro5ella btanca
32
31·32'
Toronias
SO,60
uvas. -tco ·cimelicana
uvas. tfPO eurcpeo
31·32
30·31
32
45·50
65,70
90,95
85·90
85'90
90,95
95
90
Guayabas
7 a 10 dia.
1 seman a
J a e sernanas
3 a 6 moses
4 a 6 meses
3 elias
2 semanas
o
ahumado
Ma,iscos. rfCt;C05
Pieies y teias
Verduras de hOja!l
a 2 semanas
2 sernanas
'2.3 semana.
2 a 3 semanllS
I
65 a monos
95·100
95
90·95
50·60
85-90
90,95
50,60
05·95
45-55
nescos
pescaoo. 'fresco
almacenamien'o·
3 a 0 moses
05-95
90·95
90
32,40
31,32
33·35
40·50
JO·JJ
34·40
Higos. secos
Tiempo
apro)t.imado do
Calor
especilico
par arnOD del
punla d.
congetac;jon,
Blullbl'F
0.07
0.80
0.87
9
7 a
6 a 7 meres
2 a 4 sernanas
4 a 6 sernanas
2 a 0 scmanas
3 a 6 mcses
10 a 14 dias
2 a 3 sernanas
83,0
0,B6
0.26
0.27
0.43
0.38,0.45
0.39
0,44·0,46
0.40
0.46
0.46
0.44
0.44
-'
20·37' '
96
34
112
89·122
92
113·125'
B9
126
126 '
116,
116
..~
Objetivos I 351
Tabla 14.7 Continuaci6n.
cafor
Condiciones de aimacenarnienlo
especllica
per arriba del
PfoOuclas (pOf
orden allaM-ricol
Temperatura de
aJmacenamienlo,
·F
Tiampa
Miel
Aabano picanle
38·50
30·3~
5().60
95-100
Bena
3~
3~
95
Coljnabo
Poras. frescos
limoncs
Lechuga s, lepollnd""
Limas
Azucar de area
MangoS
Carne
Tocino. ahumado (esWo
campesue)
Came de
caze.
fresca
tresca
Jamones 'J cuartos dalanteros.
Camo de res,
ru~sccs
Cur.des
Cordero, Itcsco
Hig.dos. congel.dils
Puerco, fresco
• Embutidos ahumados
Frescos
Ternara, Iresca
MclQn canlaloupc
Honeydew y honey ball
Sandias
Champill6n
GriMn
Nuoces
Mameca vegetal
A!;Citunas, f,escas
ccbollinos
Tiernos
Natanjas
Jugo
oe nalanja;
75-80
60·65
Mas de un ,",0
55
85·90
2
60·65
32
32·34
65
6(J.85
86-92
32·34
60·65
32·34
·1().()
32·34
40·45
32
32·34
36-40
45-SO
4()'50
32
4S.sa
Cebollas (secas) y
hel.do
32
32
32·48
3D35
Pimiento. dulce
45
32
32
31·32
29·31
32
45-50
Chile (seeo)
32·SO
Ni5J)etO
30
45
Papayas
Pcrejil
Chi,;vfas
Durazrlos y gJifloi1cs"
Peras
Chlchnro s, veroes
. Piflas. m_aduras
CirueJas. inelvyenoo ciTuelaS
~pasa, frescas "
95 .
31·32
!J5.90
95-100
28.7
0.35
0.78
0.26
0.42
2S
104
31.1
30.2
0.B9
0.92
0.46
0.47
124
12B
30.7
29.4
31.7
29.1
0.68
0.91
0.69
0.46
0.46
0.46'
0.46
126
127
135
122
0.24
0.85
0.21
0.44
7
117
0.30·0.43
024·0.29
0.42
0.38·0.43
10·41'
115
89·1111
0.56-0.63
0.52.0.56
0.6S·0.76
0.34·0.36
0.32·0.33
0.38·0.51
0.41
0.3().0.J3
26.0
28·29
29.9
30.3
31.3
30.4
0.46·0.55
0.68
0.89
0.71·0.76
0.93
0.94
0.97
0.93
67·77
57·64
86-100
100
46,63
86
93
92·100
132
132
132
130
30.4
. 0.90
85.4
89.3
94.S
86.0
4 a 6 meses
1 a 6 semanas
1 a 6 sernanas
13,29
47·54'
62·77
28·29
28·29
65-90'
7 a 12 dias
50·60
o .:1 at'los
a5-90
5.12 dins
3 a 4 mescs
3.7dias
6 mescs
1 a 2 semanas
5 a 10 dias
5 a 15dlas
3 i] 4 semanas
2 aJ semenas
3D4dlas
47·54
4().45
60-70
70.0
32·44
60.0
65.0
64-70
92.0
92:6
92.1
91.1
65-90
85-90
85-90
9().95
9!J.95
9!J.95
80-90
90
90' '.'
2 a -4 semanas
B a 12 rneses
9().9S
7. 10 dlDS
60·70
85-90
65·70
95
a5-90
M~sde un ,",0
4 a 6 semanas
1 a 8 mescs
3' a 4 semanas
3 a '2 semanas
3 a 6 sernanas
85·90
a 3 semanas
a 2 meses
-4 a 6 meses
90·95
90
85
Malz palomefo. sln tostar
Papas, cosecha temprana
" "Cosecha lardia
32·40
SO·55
36-SO
Aves de COltaJ. poliO fresco
Ganso. fresco.
Pavao flc&co
Calabazas
32
32
32
5()'S5
85·90
85·90
85·90
70·75
Meml)rillos
31·32
Rabanos de primavera.
pteempacados
Pasas (ItOseBS)
32
40
28·29
o.eo
0.70·0.84
90
90
0.22·0.25
3-6
89.S
15,5
75.2
87.5
09.4
.87.2.'
89.0
2 a 4 sernanas
2 a 7 meses
1 a 3 semanas
2 a 3 semanas
6 meses
J a 4 meses
2 a 4 senaoas
2 a 4 semanas
2 a 4 semanas
-4 n 6 mescs
o B 2 mC5eS
5 a 8 rneses
82.3
77.0.
13.5
81.2
17.S
1
85·90
81.S
90.8
85.1
78.6
89.1
82.7
74.3
92.4
12.0
78.2
85.3
1
95
9B'100
.90
90·95
95
90·95
60·70
90
32
28·29
0.96
0.38
0.56
0.39·0.41
0.48
0040
0.40
0.47
":.
65-75
Granadas
28·29
congeJac;6n,
BrUllblDF
por dobaja
del punto de Calor t... fenre
conr)e.Jac;On,
de fusiOn.
BrUIJbl"F
BrUllb
18.0
73.4
30.3
9().95
de
congeJilci6n
m~s arre. 'F
5.0
81.4
a 3 sernanas
punla
Conrenido
de amze, %
3 a 4 meses
2 a 4 sernanas
95
65·90
45·SO
35
Okra
M~s de un a"o
10 a '12 moses
1 a 3 meses
1 a 6 meses
2 a 3-semanas
'6 a 8 sernanas
3~
3l! 0 5().Sa
32·34
48·50
31·32
32·50
(secas)
apto1t.krrado de
almacenamicntoO
Humedad
rclativiJ, %
Punto de
Calof
especifico
28.7
29.4
30.6
30.4
30.6
30.4
30.0
30.4
30.3
29.2
30.9
30.7
2B.l
30.0
30.5
26.6
30.9
30.9
0.49
0.21·0.22.
'. '119
4·6
0.90
0.46
0.25
0.42'
0.46
,126
22
106
124
0.91
0.90
0.91
0.46
0.47
124
128
0.82
0.88
0.84'
0.90
0.47
0.45
0.44
0.46' .
0.86
0.79
0.94
0.30
0.84
0.88
0.45
0.42
0.47
0.24
0.43
0.45
0.8S
0.07
0.31
0.85
0.82
0.45
OAS
0.24
'0.44
0.43
0.92
0.32
. 0.80
130
122
112
124
,118
106
132
17
112
122
118
112
19
116
111
t semana
2 a 3 moses
74.0
47.0
55.0
90.5
27.0
27.0
27.0
30.5
0.79
0.57
0.64
0.92
0.37
0,47
106
67
79
130
90
2 a 3 moses
853
28.4
0.88
0.45
122
95
60-70
J a 4 semanas
9 a. 12 meses
93.6
35.0
30.7
0.95
0.47
0.4S
0.32
134
43
1 sernana
1
semana
0.42
0.34
352 / La carga de refrigeracion
Tabla 14.7 Continuaci6n.
Calor
CondiCiones de almacenamionto
especi/ico
por arriba del
Tlf!mpo
Tempera/Ule de
PloduClo.(por
a'maCM<lmienio.
DF
orden ilHabblico!
Coneio, lrescc
Frarnbuesas. n£?1)ras
Raja.
Humedad
%
rfJativa.
Punta de
aproximadode
almacenamlonrolJ
1 a 5 dla s .
2 a 3 dtas .
2 a J dim;
2 a 4 sernanus.
4 a 6 meses
Contcnido
de aqua. %
68.0
80.6
64.1
94.9
89.1
32·34
31·32
31·32
32
32
90·95'
90·95
90·95
95
98·100
32
32
32·50
50·55
31·32
75·80
55·60
31
98,100
95
65·95·
70·75
90·95
60·65
65·90·,
60·70
M~!Ode un
Nabos, ralces
32·3B
35·46
35·50
55·70
45·50
32
85·90
50·55
60·65'
85·90
85·90
95
2 a 4 semanas
6 rneses
2 moses
1 a 3 semanns
'" a 7 dlas
4 a 5 mcses
93.0
.94,1,':'
91·5
Horta!izas (mixlas)
32·40
.90·95
1
a 4·5e.IJlana.!;
90.0"
Ruibrubo
Rutabagas
Salsili
Espinilc:a
Cnlabacitl1s.de verano
De invierno
F/C!;,W. lrescas
Azucar, de arce
Camcte
Jarabe de arce
Mandarina!i
' "
Tabaco. cignrrillos ,~
Cigarros {puro.}.: '.
Tornates, rnadurcs verdes
Madliros fi/mes
Papa ama/illa
D
85-90
60
31·J2
Levaoom compnrnlca para hcmear
tI~·~~.t ~~do en;~ilm~nrorwn~nlOde los..If~'ore~~lIflvcs.
loc. E'lIIat:1;;lOa con
COIlC"'..i.:idel Grupo McOvali. M~O ...all-Pcrlcl.
\.. ,
2 a 4 meses
10 a 14 dius
Sa 14 dias
5 a 7 dlas
MM de un ana·
4 a 7 moses
3a6
.
i1U\OI~lii(;lan
del Manual ~
a·t;i !TIe!iC5
4
A~IC.iIt::rone_'dI:!
ano
congc/ad6n
m",s alto.
.
conge/i1C:j6n,
f!F
30.0
31.5
31.1
30.3
30.6
67.3.
30.1
25.0
25.0
31.0
0.44
O.4B
O.4B
0.48
0.42
0.21
0.90
0.46
30.1
0.95
0.94
0.93
0.48
0.46
0.47
30.0
0.90
0.45
26.5
0.79
0.77
0.40
0,41
29.7
31.1
113
132.
135
127
129
.:..
0.31
'.'
~
12~
-
.134
134.
13jl
~
.".
:\';
130 .'
;:.,.[,
.!.
73.5
70 '.9.
.. 105
102
."';
r,
~i,~,~.
Mediante la ecuacion 14.3, se calcula
lor del calor sensible por debajo delpunto
de congelaci6n:
','.
>;',"
.'{
~:;
Q '= m x
Solucum. La carga se calcula en tres etapas:
Los datos se obtienen de la tabla 14.7. Utilizando Ia Ecuacion 14.1: se halIa el calor
'sensible por arriba del punto de congeIaci6n:
";
._7;,. ;
~7 "'.1,'
51~
OAO
..
"
Ia ASHRAE. 1014".'
Ejemplo 14.5. Una carnara de congelacion recibe 12 000 Ib de pescado a 50'oF para ser en»:
friado hasta - 10°F en 24 horas. Calcular Ia
cm:ga de enfriamieiuo del producto.
.
par claboio
clalpunlo do Calor lalenle
congeladon.
de fusion,
BluRb/'F
81unb
0.40
98
0.44
122
0.45
121
0,48
134
,,':
0..17
127
0.63
0.94
0.95
0.91
0.92
0.24
0.75
0,48
.~
:.'
BluAb/DF
0.74
0.84
0.87
0.96
0.91
30.0
30.9
30.3
30.1
79.1 ::~;
92.7·
94.0
B8.~
69.9
5.0
68.5
355
..
::.'
rneses .
puma de
Calor
espccilico
',.",.-,'
C2
TC2
12 000 x,0.45
x (28 - (-10), '".
- 205 200 Btu/24 h
.'~.,
c;arga de enfriamiento
del producto
1 999 440 Btu/24 h
12 000 x 0.86 x (50
=
28)
330 240 l3.~1/24h
Utilizando la ecuaci6n 14. 2, el calor latente de fusion es:
Si el producto se va a enfriar de modo que alcance las condiciones de almace~amiento'en ~e.
nos de 24 h, se incrementa la carga diaria (24 h)
en el sistema. Esto se explica utilizando en.los
calculos una eantidad diaria "equivalente" del
producto, como se indica a continuaci6n:
Ib diarias equivalentes
=
=
12 000
X
122
x
1 454 000 B tu/24 h
= lb reaIes
24 h
h de carga de enfriamiento
(14.4)
Tabla 14.8 Calor de respiracion de los productos'"
Btullb/24h.
Temperatura de Almacenamiento, OF
Producto
Frutas
Manzanas
Abaricoques
Aguacates
Platanos
Zarzamoras
32°F
40°F
6Q°F
0.25-0.450
0.55-0.63
0.55-0.80
0.70-1.0
1.70-2.52
5.91-5.00
Arandanos
Cerezas
Cerezas, acidas
Arandano agrio
Higos, misi6n
O_.65~1.10
0.65-0.90
0.63-1.44
0.30-0.35
1.0-1.35
1.4-1.45
1.41-1.45
0.45-0.520
1.18-1.45
3.75-6.5
5.5-6.6
3.0-5.49
Grosella blanca
Toronjas
Uvas, Americanas
Uvas, Europeas
Limones
0.74-0.96
0.20-0.50
0.30
0,15-0.20
0.25-0.45
1.33-1.48
0.35-0.65
0.60
0.35,---0.65
0.30-0.95
?37-3.52
1.1-2
1.75
1.10-1.30
1.15-2.50
1.485
3.70-4.22
1.2-1.65
1.85-2.6
3.65-4.65 .
Limas
Melones, cantaloupe
Melones, honey dew
Naranjas
Duraznos
0.20-0.50
0.45-0.70
OA05
0.96-1.11
0.45-0.55
0.65-0.8
0.70-1.0
Peras
Ciruelas
Frambuesas
Fresas
Mandarinas
0.35-0.45
0.20-0.35
1.95-2.75
1.35-1.90
1.63
0.45-0.75
3.40-4.25
1.80-3.40
2.93
Hortalizas
Alcachofas
Esparraqos
Frijol, verde 0 ejote
Frijoles lima
Betabeles, sin hojas
0.55-0.63
@ 680 4.2-4.6
@ 70° 5.7-7.5
2.37-3.52
L"
4.40-6.60
1.20-1.40
9.05-11.15
7.80-10.15
1.15-1.6
1.35
3.48-6.56
5.85-11.55
4.60-5.7
2.15-3.05
2.05
Br6coli
Coles de Bruselas
Col
Zanahorias, sin hojas
Coliflor
3.75
1.65-4.15
0.60
1.05
1.80-2.10
5.50-8.80
3.30-5.50
0.85
1.75
2.10-2.40
16.9-25.0
6.60-13.75
2.05
4.05
4.70-6.40
Apio
Maiz, dulce (elote)
Pepinos
Ajo
Habano picante
Colinabo
0.80
3.60-5.65
1.20
5.30-6.60
0.33-1.19
0.89
1.11
1.04-1.78
0.6371.08
1.19
1.78
2.15-3.19
4.10
19.20
1.65-3.65
1.18-3.0
3.59
.5.37
9.08-12.82
Pora
2.48-4.93
2:95-6.60
1.5-3.4
2.33-3.74
6.6-15.35
2.3-2.75
7.71-15.97
Otras, OF
8.49-15.90
11.0-25.75
16.05-22.05
11.0-13.7
3.60
353
Tabla 14.8 Continuacion.
Btu/lbl24 h
Tempereiiu« de Almecenemiento,
of
Producto
Lechuga, repollada
Lechuga, hoja
Champinones
1.15
2.25
3.10-4.80
Okra
Aceitunas
Cebollas, secas
Cebollas, verdes
Chicharos, verdes
0.35-0.55
1.15-2.45.
4.10-4.20
Pimientos, dulces
Papas, sin rnadurar
Papas, rnaduras
Camote
Habanos can hojas .
i.
ri
Rabanos, sin hojas
Ruibarbo, sin hojas
Espinacas
Calabaza, amarilla
Tomales, verdes
maduros
\
Miscelilneos
Caviar, cubeta
Oueso
Americano
Camembert
Limburgo
Roquefort
Suizo
Flores, cortadas
..
1.59-1.89
0·139-0.63
0.8~-1.44
2.10-2.45
.1.3-1.41
Tomales, maduros .
Nabos
Hortalizas rnixtas
1.35
.
. 0.50
""J
0.95
2.0
1.91
2.34
2.46
~.46
r-.:, .
2.33
c,
. '0.24 Btu/24' Hr/pie2
Area del
piso
0.71
Miel
t.upulo
Malta
@ 35° 0.75:'
@ 50° 0.75'
r~'
Azucar de arce
Jarabe de arce
Nueces
Nueces, secas
....:
-:'
" ',: "
@ 45° 0.71
@ 45° 0.71
0.074
0.185
.... 0.37
@
35° 0.50
dTodaslas Irutas y las hortalizas son orqarusrnosvivos y despidan calor en el atmacenamiento.Sino
se conoce el calor de respiracion se debera utilizar un valor aproximado 0 promedio.
bpara obtener Btul24 h/Tcnelada/Pf. multipliquese par 2000
Cortesia de Dunham·Bush. Inc.
354
Objetivos I 355
Ejemplo 14.6 Si el pescado que se debe congelar en el ejernplo 14.5 se va a enfriar hasta las condiciones de almacenamiento en 9
h, ~cual debe ser el equivalente en lbs que se
utilice para calcular la carga de enfriamiento
en 24 h?
Tabla 14.9, Calor corporal de los ocupantes,
Temperatura del
refrigerador
50
40
'-, "30
20
10
Soluci6n. Se usa la ecuaci6n 14.4
o
Lbs equivalentes diarias
-10
12 000 lb
x
=
24 h
9h
32 000 Ib/24 h
14.5 Galor de respiracion
l/t,Col
Como ya se mencion6 anteriormente, las frutas y las verduras desprenden continuamente
calor en condiciones de almacerramiento; este calor se conoce 'como calor' de respiracum. Este
calor se genera a .partir de los procesos fisio16gicos que' todavia tiehen lugar en los mismos.
Los valores del calor de respiraci6n aparecen
en la tabla 14.8. En aquellos casos en que se
indicaun intervale devalores, se debe usar el
promedio si nose cuenta con mayorinforrnaci6n acercadel producto ..
.
.;
....
'
'~
.
.,
,
"
i_
:
Ejemplo i4.7~ :Un recinto para el almacenamiento contie'ne BOOO lb de charnpinones a
40°F. ~Cual es la carga diaria debida al calor de
respiracion?
r
Solucion. La tabla 14.B indica que el calor de
respiracion de los charnpifiones a 40°F es
7.BO Btu/lb 'Por 24 h. La carga diariaes:
Carga diaria
=
720
840,
9S0
1050
1200
1300
1400
Cortesfa de Dunham-Bush
Se utilizara esta cantidad en lugar de la real,
al calcular la carga de enfriamiento sabre una
base de 24 horas.
(, 5 ~ i L\
Equivalente tetrmco por persona
en OF, Btulh
SOOO Ib
x 7.S0 Btu par 24 h
;= 62, 400 Btu' par 24 h
14.6 Cargas por los ocupantes,
la iluminaci6ri y los motores
LO-$ valores del calor corporal generado par
ocupante, dentro de la camara de refrigeracion
aparecen en la tabla 14.9.
. ,~l equivalente terrnico de la energia electrica de las luces 0 los calentadores es de 1 W
= 3.4 Btu/h.
El equivalentetermico delcabaUaje del motor, aparece en la tabla 14.10. Se enumeran tres
posibles condiciones: los motores y la carga' conectada (como ventiladores, bombas y moritacargas) -estan situados dentro del 'espacio
refrigerado: el motor fuera y la carga den tro
de dicho espacio; 0 el caso contrario, la carga
, fuera y el motor dentro. Algunos motores de
pequerio tarnario para los ventiladores, seevaluan en watts. En este caso, se utiliza elfactor
de conversion. apropiado para cambiar de
watts a Btu/h.
",
: En el caso de las cargas debidas a los ocupantes, la ilurninacion, y los motores que no
operen todo el tiernpo, o. que no' esten continuamente en el espacio, la carga de 24 h equivale al calor horario generado multiplicado
por las horas de utilizaci6n por dia:.. '
14.7 Formas impresaspara calcular
la carga de refrigeraeion
.
:1
Con el fin de facilitar los calculos de la carga
de refrigeracion, resulta provechoso utilizar
356 I La carga de refr igeracion
Tabla 14.10 Equivalente terrnico de los motores electricos".
M%r del venti/ador
del evaporador, hp
Perdidas en el
motor fuera del
espaeio refrigerado,
Btulhplh
6400
'120
\1"5
'I,:!
'/'0
'Ie
\/6
'/4
'13
\1'2
3/4
,,1
2
3
5
.7'12
10 to 20
Carga coneetada
en el espaeio
refrigerado,
Btulhplh
'.::-
5700
5300
4950
4650
4350
4000
3850
37GO
3600
3500
3300
3200
3100
3050
3,000
"Para los motores con capacidad
Cortesia de Dunham-Bush, Inc.
"
:~."
2545
2545
2545
2545
2545
2545
2545
2545
2545
2545
,,2545
2545
2545
2545
2545
2545
Carga cotiectede
fuera del espaeio
refrigerado, '
Btulhplh
1455'
1305
1155
1055
955,
755
655'
nominal en watts (de entrada). se multiplican watts par 3.41
una hoja de calculo que incluya espacios para
todos.los datos necesarios, En la figura 14.1 se
muestra una hoja .de calculo sin llenar yen la
tigura 14.2 se muestra un ejemplo resuelto.
, Elestudiante debe estudiar el ejemplo reo
suelto y verificar los datos, tornados de las tao
bias apropiadas.. Enseguida, se explicaran
algunas caracretisticas de la hoja de calculo y
del ejemplo.
Los datos necesarios para el. disefio se
enurneran en la primera pane, de la hoja
de, calculo (temperatura, construccion, producto). Dichos datos se obtienen mediante un estudio conjunto realizado por el disenador y el
cliente.
La carga de transmision del calor se calcula
para cad a superficie expuesta, teriiendo en
cuenta cualquier efecto de radiacion solar.
. La carga de infiltracion se calcula basandose en los cambios de aire.
La carga del producto se calcula segun los
pasos enumerados, dependiendo de que tenga 0 no lugar la corigelacion. Se utilizan libras
..
555'
505
455
BtulWlh
. .-~
'J,_
equivalentes del producto en el casu de que la
carga de enfriamiento sea menor de 24 horas,
Las ,cargas diarias de los.. ocupantes, , la
iluminacion, y los motores se calculan basandose en ·las .horas de uso diario por dia,
Se anade luego un factor de seguridad del
diez pOl' ciento, a fin de obtener la.carga neta
total de refrigeracion en 24 horas: esto constituye una practica comun en Iaindustr ia de lei.
refrigeracion.
La etapa siguiente consiste en determinar
la capacidad requerida del equipo de refrigeradon. La capacidad horaria del equipo se~a
mayor que unventicuatroavo de la carga diaria, debido a que el compresor no opera en forma continua; entra y sale del cicio en respuesta
al termostato del cuarto. EI calor producido
pOl' el ventilador del evaporador impone una
carga adicional sobre el equipo de refrigeracion; el calor de descongelaci6n puede constituir tam bien en algunos casos otra carga. En
la figura 14.1 se inc1uye un espacio para apun·
tar dichas cm·gas.Los procedimientos median-
FORMA
PARA ESTIMAR
LA CARGA DE REFRIGEAACION
PARA LOCALES A TEMPERATURAS POR ARRIBA Y POR DEBAJO DEL PUNTO DE CONGELACIClH
DATOS DE ESTIMACION Y RECONOCIMIENTO DE LA CARGA
CONDICIONES EXTERIORES: ___
'FBS ___
'FBH ___
CONDICIONES INTERIORES: ___
' FBS ___
0
___
'FBS ___
• FBfl ___
AREA DE ACCESO:
OIMENSIONES EXTERtlAS DEL LOCAL: ___
.'I'a1arlI ..
FBH __ ' _
%HR ___
LARGO. PIES ___
~~
r""'''''
.,
,~- ,..
,~
"....
-,
U'
ALTURA. PIES ___
.. ~.
~ ..
..,
..
.
n~
p-.;~u
CONDICIONES EXTERIORES EN INVIERtlO.
OF
'"'HR. (VESTleULO/PLA TAFORMA DE CARGAJOTROS)
AtlCHO. PIES ___
flpHU.
''''
%HR ___
TEMPERATLIRA DEL TERRENO EN EL VERANO. 'F
(USAR SS'F EN a, CASO DE PISO DE LOSA AISLADAJ
nt.rKttorI
PIES CUAOAADOS "fOTALES
ISUPERFICIE EXTERIOR)
~'I"~10
E.1.c1C
"
...
ur
I~ P3'_"
n;tO~
IlTllQ.t~2
0 ••
" ... ~1"1:"1.
1'.,..:1-
p.,.,,",P.a.w_ •
.......
....
.
'Fa.."'1:IrU _
E1t>QOrlltlaqturo~a~
VENTlLADORES DE EXTRACCION:
PUERTA{S) DEL REFRIGERAOOR:
VOLLIMEN INTERIOR DEL LOCAL:
ANCHO·
(DIMENSION INTERIOR DEL LOCAL • DIMENSIr.:m EXTERIOR -
ALTO x
LARGO.
ESPESOR DE LOS MUROSI
LARGO.
ANCHO x
ARE.~ DEL PISD
ENERGfA ElECTRICA
VOLTS
PIES CUBICOS
PIES CUADRADOS
HERTZ; CONTROL
FASES
VOLTS
TIPO DE CDNTRO!-'
DATOS Y CLASE DEL PRODUCTO:
TNIOpKZII#II:'M
~a.lYo.1~
.
TOpc ta
F~
....,....,.",....,
r.lT'J'IIfal"".
..
...-
....
""'_,
n""",,,,,
~-
Cloil::l"'~~
pcw:M:ta. '1'
"",-~
........
""",,&orilla
<I..
~""
p.n.c
Dol
"""'- """"'-
''''''
...... ,.
mU~a.l
Cwor w.n.t
~.".....
~.tlI;w1b
•
F_~
.,_,~
,,,,,,,,,,,,,1l1~1"
T,-"",,!'I
I Ictt_~_1J"IIO
1)~~JtrI
TIPO DE OESC:ONGELACION 0 AIRE 0 GAS CALIENTE 0 ELECTRIGA
OT DE eVAPORAC1ON
CLASE DE PRODUGTD
NUM. DE OPERACIONES DE DESCONGELACION Y TIEMPO TOTAL PO~ 24 H. ___
~UM. ___
HORAS ___
HORAS
TIEMPO DE OPERACION DEL GOMPRESOR
USO DEL GABINETE 0 PROMEDIO 0 PESADO 0 MUY PESADO.
..
CARGA OEL PRODUCTO E INFORMACION ADICIONAL:
ENVASES
EMPAQUE
PLATAFORMAS PORTATILES:
"
.
PESO
NUM.
ESTANTES PARA LOS PRODUCTOS: NUM. ____
GALOR ESPECiFleO
(ENVASE)
TAMANO ____
PESO, Gil ____
CALOR ESPECiFICO ____
MATERIAL ____
PESO. Gil ____
CALOR ESPECiFICO ___
-_
ESTIMACION DE LA CAPAC lOAD DEL LOCAL PARA ALMACENAR EL PRODUGTO
CARGA ESTIMADA DEL PRODUCTO - 0.40
X
PIES CUBICOS •
(VOLUMEN DEL LOCAL)
,
CARGAS MISCELAHEAS
NUM. DE PERSONAS ___
LB/PIES;)
MOTORSS (ADEMAS DE LOS DEL VENTILADOR Y DEL EVAPORADOR)
HORAS ___
,_.
MONTACARGAS
lLUMItlAC1DN
NUM.:
LIBRAS
::z
(DENSIDAO DE CARGA)
HP
WATTS/PIE"
Figura 14.1, Forma para el reconocimiento y el calculo de la carga de refrigeracicin. (Cortesia de
Dunham-Bush, lnc.),
USo: ___
• ___
HP ___
HORAS
___
• ___
HP ___
HORAS
HORAS/oiA, OTROS
CALCUlOS
I PERDIOA A TRAVeS DE LA PARED tCARGA DE TRAr.SMISION)
SUPERACIE
DT
I
AREA DE lA SUPERACIE
enc •
Piesz,l(
PiM do hugo )(
Pio$ 00 anc -
Pies2)1
PiC!! do l<lf!1Ox
PiDS do ahZJ _
Pies2)(
Parud oeere
Pins do Int!iO x
Pies do
anc •
Pies2x
Plal6n
Pi~ do l;uga )(
PiD'S do anchI? •
P"1052
Pi.5o
PiO!:l do largo
Pies de oncho _
Plo:lZX
Pored florttJ
PiO$do l.ngo
Pared sur
Pared eem
Gabtnolo
';It
lC
Tota!~SuporficiR
PiC'S de
FACTOR O~ GANANCIA
TERMICA DE LA PAl'lED
.
.
-
::r
-
-
_p;e:s2x
..
I
I
I
Cnrglllot3J do ImnsmbJ6n en pl1rDdcs, STU/24 H -
I
UMe (METODO CORTO) usa DE lA GANANCIA DE CALOR ( ) PROMEOIO
SOLO EN LOS ENFRlAOORES
PIES'.
(VOL. INTERIOR DEL GABINETEJ
) PESADOt
) MUY PESADO
BTU124 HI PIES' (@
DT) (USO DE LA GANANCIA DE CALOR)
NOTA: 51 lAS CARGAS DEL PRODUCTO sos FUERA DE LO COMUN, unUZAR
EL METODO LARGO, MUY PESAOO • I 112 % usa PESAOO .
51 SE U)lUZA
..
I
+ liMe -
TOTAL I
EL usa DE LA GANANCIA DE CAtOR, NO uTILIZA'l (UIIL III Y IV)
IIML (METODO LARGO) INFILTRACION (CARGA POR CAMBIO DE AIRE)
____
PIES' ____
CAMBIOS DE AlREi24 H x ____
FACTOR DE SERVlCIO ____
l II J
III
BnJIPIES3-
-
CARGA DE INALTRACION, aTU124 H
eARGA DEL PROOUCTO
REDUCCIOH DE LA TEMPERATURA DEL PRODUCTO POR ARRIBA DEL PUNTO DE CONGELACION (CALOR SENSIBLE)
,.
BTU/24 H
~
~
____
'UDRASrolA
• ____
REDUCCIOll DE TEMPERATURA, 'F " ____
CALOR ESPECIFlCO
-
CONGELACION DEL PRODUCTO (CARGA POR CALOR LATENTE)
'UBRASlDlA
·
STU/La CALOR LATENTE
"
REDUCCION DE LA TEMPERATURA DEL PRODUCTO POR DEBAJO Del PUNTO DE CONGELACION (CALOR SENSIBlE)
____
"UBRAS/D(A
x ____
AEDUCCION DE TEMPERATURA. "F
x ____
CALOR ESPECIACO
CALOR DE RESPIMCION
UBRAS DEL PRODUcrO (A1.MACENADO)
x
aTIJILBI24 H
CARGAS DE PRODUCTDS MISCElANEOS (I) ENVASES (2) PLATAFORMAS PORTAnLES
arRas·
-
____
UDRASIDIA • ____
REDUCC10N DE TEMPERATIJRA. OF " _. ___
CALOR ESPECIACO
-
____
UBRASID(A
REDUCCION DE TEMPERATURA. OF x
CAlOR EspecIACO'
=
%
l In J
IV
pj
-
____
·
CARGA TOTAt DEL PRODUCTO BTU/24 H
CARGAS MISCElANEAS
tal IILUMBRADO ___
(1 II I
Area del ptse, pies2 ___
Walt"n'1cs'
• 3,41 BluIW.n • ___
H0RASl24 H
·
112 WATTSIPIES' EN AREAS DE ALMACENMI!ENTO. 2 A J EN AREAS DE TRABAJO)
mjM. DE PERSONAS
(b) OCUPANTES
x
-
HORAS
BTUIHPIH
x
HP
x
H0RAS/24 H
=
BTUIHPIH
x
HP
x
H0RAS/24 H
=
(e) MOTORES
._
BTUIH
(d) MANEJO DE UATERIALES.
__
MONTACARGAS
x _.__
HP EOUIVALENTES
-
x 3 100 BTUlIlIHp· " _'_. _ HOAAS DE OPERAC1ON
'
=
omos
l J
IV
_51 LA CARGA DE ENFRIAMIENTO DEL
PAODUCTO 5E EFECTliA EN MENDS DE 24 H,
EL PROOUCTO OIARIO SERA:
llQRAS DEL PRODUCTO •
'
I
CARGAS MISCELANEAS TOTAlES,
STU124 H
=
CARGA TOTAL EN STU DE I A IV, aTUf24 H
L AGREGAR UN FACTOR DE SEGURIDAO DE 10~b
=
24 H
ENFRIAMIENTO, H
BTUf24 H TOTALES COil FACTOR DE SF.GURIOAO
(NO
Sf INCLUYEN LAS CAAGAS DE CALOR DEL VENTlLADOR DEL
EVAPORADOR I'll LAS DE LA DESCONGElACION)
CARGA BAsICA DE REFAIGERACI....N EN 24 H
Figura 14.1. Continuaclon,
}
~
..
Objetivos I 359
SELECCIOH DEL EOUIPO A PARTIR Oil LA FORMA DE CALCULD DE LA CARGA
1. OETERMINAR LA OT DEL EVAPDRADDR DUE SE REDUIERE PARA LA CLASE
PRODUCTO Y LA TEMPERATURA OEL LOCAL
'F ~DT)IA PI\FmR DE LOS OATOS DE RECONOC:MIEHTO OE LA CARGAl
2.. PETERMINAR EL nEMP') DE OPERACION DEL COMPRESOR CON BASE EN LAS TEMPERATURAS DE OPERACION Y LOS
.
HORAS fA PARTIR DE LOS DATOS DE RECONOCIMIENTP DE LA CARGAl
AEOUERIMIEHTOS DE OESCONGELACION
3. TEMPERATURA DEL EYA~ORADOR, 'F
_______
~
(TEMPERATURADELlOCAL)
'F
OE
(DT OEL EYAPORAOOR")
"" PARnR DE LOS DATOS
DE RECONOCIMIENTODE LA
CARGA
4. TEMPERATURA DE SUCCION OEL COMPAESOR. 'F
'F
(TEMP. DE SUCCIO,.
DEL EVAP.)
~P~ROIDA EN LA
UIIEA DE SUCCION)
CARGA DE REFRIGERACION BAsICA CON FACTOI1 DE SEGURICA·O,8TU124 H -.
--'_.,(NO SE INCLUYE EL CALOR DEL VEtHiLADDR DEL EVAPDRADOR III EL DE OESCONGE1ACION)
CARGA HORARIA PAEUMItJAR _
8TUIZ. H ICARGA BAsICAl.
HORASIOrA (TIEMPO DE OPERACION DEL COMPRESOR]
_
~
BrulH
ESTlMACION DE LA CARGA rERMICA DEL VENTILADOR, BTUIH. _
__
__
CAN110AD .,
CANTIDAD •
0
__
__
HORAS
STUIZ' H
HDRAS -
GTUI24 H
CDNSUM9.
HP
cn."
~fAOTOAES)
ESTlMACION DE
BTu/WATT" _-'-
..;.,AITS Cll • 3,41
IMOTORES)
BTUIHPnJ •
(TA8LA 13)
LA CARGA T~RfAICA OE oiiiSCONGELACION, .BTU/H •
CANTI·DADDE EVAPOAAODnES ~ __
WATTS Cll
x __
HDRAS ;. 3.41 BTU/WATT • __
.
•
FACTOR DE CARGA DE
OESCONGELACIOW
STU124H
'USAR D.SOPARA LA OE5CONGELACI0N POR ELECTRICIDAD V 0.40 PARA LA QUE SE EFECTUA POR GASES CALIENTES
+
CARGA TOTAl. BTUI24 H (CARGA aASICM
______
_
rCALOR DEC· .
VENTILADOR)·' .
o
___
(CARGA,BAsICA)
CARGA HORARIA REAL
BTUI2. H
(CALOR OE
DESCONGELACION)
~_"-
__
BTU124 H .
(MULTIPLICADOR DE LA
."
..C!'.RGA BAsICA)
_..,--=
..,..-.,-~BTU=I2:::.4 .!.!H.!!(C~A!.!:RG""A,-;T,:::.OT.!.:Al)~.
HORASlorA (T1EM~O DE OPEAACION DEL COMPRESOR]
___________
BTUlH
Figura 14,1. Continuaci6ri
"
te los cuales se determinan dichas cargas, se
describen mas adelan te 'en este capitulo.
Un ejemplo ilustrara mejor el calculo com-"
pleto de la carga de refrigeraci6n. EI estudiante
deb era verificar todos los datos enumerados
en el ejernplo.
Ejemplo 14_8, Calcular la carga de refrigeracion
del refrigerador de acceso libre, destinado a
la conservacion de carne, que se describe en
forma de carga en la figura 14,2.
Solucion. Los datos para el refrigerador se seleccionan en las tablas apropiadas y se enumeran en la hoja de calculos. Se calcula a
continuaci6n la carga diaria. La carga hora-
ria se calcula, corrigiendo el tiempo de operacion del compresor y la carga del
ventilador del evaporador.
14.8 Metodos simplificados para
'1
determinar la carga
La experiencia ha conducido al desarrollo de
muchos rnetodos abreviados para la determinacion de las cargas de refrigeracion. Estos metodos se basan general mente en el tamafio del
espacio refrigerado. Los que se basan en el volumen del recinto, mas bien que en el area superficial, son considerados por los expertos
COn1?los mas confiables. De cualquiedTlal1~.
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CALCULOS
fonMA PARA £STINAn LA CAnGA DE REfmOEnAClOu
L~n
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UlM'(lU.tUru.PH 'I\CCVClQ I"l.:'Jll"lAA!WI,Io, DtLI'\IIttDtl£ COl<!Jt~IIULC'15.(U~fl
..:!!I.!L.. -~da,.
-1.R_rt4'CUCDOHre'ltWlJURIN..·'
.__.a..Lp(.Mtvr:dnco
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Figura 14.2. Forma para deterrninar la cargade refrigeracion y calculos correspondientes al ejernplo
14.8 (Cortesia de Dunham-Bush, lnc.),
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L
Objetivos I 361
ra, los metodos simplificados no se deberan
utilizar como sustituto de los calculos detallados, a menos que no sea posible -obtener los
datos de diserio requeridos. Sin embargo,
los metodos simplificados resultan {Hilescomo
estimaciones preliminares en la determinaci6n
de costos, En Ia tabla 14.11 se presenta uno de
los metodos rapidos para la determinaci6n
de la carga aproximada, basandose en el volumen del cuarto.
Ejemplo 14.9. Un congelador de 18 pies de .aneho x 20 pies de largo x 9 pies de alto y que
se halla a una temperatura de -20°F, tiene
una earga de producto de 700 lb/dia, misma
que entra a 40°F. EI aislamiento de fibra de vi·
drio tiene un espesor de 6 pulg. ~Cmil es la carga horaria aproximada de refrigeraci6n? La
temperatura ambiente es de 95°F.
Soluci6n. Se halla en la tabla 14.11 que la carga aproximada es de 21000 Btu/h. Si las condiciones difieren de manera signifieativa de
las enumeradas en la tabla, el uso de esta se
debe considerar con mueho cuidado.
14.9 Seleccion del equipo de
. refrigeracion
i.
La carga diaria de refrigeracion (en 24 horas) se u tiliza como la base sobre Ia cual seleccionar el equipo de- refrigeracicn para una
aplicacion particular; Sin embargo, la capacidad horaria requerida de refrigeracion
no
sera iguaIa un veinticuatroavo de lacarga diaria, sino que es mayor. Esto sedebe a tres
factores: el tiempo de operacion del compre·
sor; la carga y tiempo de operacion del ventilador del evaporador, y la posible carga de
descongelacion.
Tiempo de operacion del compresor. EI com pre·
sor no opera en forma-continua debido a que·
el control terrnostatico tiene un diferencial.de
temperatura. Esto es.elcomprescr sale de operaci6n dentro de un estrecho intervalo de tern-
peraturas satisfactorias dentro del cuarto, y no
entra de nuevo en operaci6n sino hasta que se
alcanza la maxima temperatura
permisible.
Tambien es posible para el sistema para p roceder a la descongelacion.
En el caso de carnaras a 35°F 0 mas, es una
practica cormin emplear 16 h como el tiem po
de operaci6n del compresor can descorige laci6n y de 18 a 20 h sin descongelaci6n. Para
carnaras a menos de 35°F, generalmente se seleccionan de 18 a 20 h como el tiernpo de ope·
racion del compresor. De esta manera
se
aumenta la carga horaria real sobre el equipo,
misma que se calcula como se indica a coritinuacion:
Carga horaria
carga diaria
tiempo de operacion,
h
• (14.5)
EJemplo 14.10. La carga diaria de refrigeracion
en un frigorifico mantenido a 4_ooF,y sin descongelaci6n, se ha calculado que es 360 000
Btu/24 h. ~Cual sera la carga horaria del
equipo?
. -'
Solucum La carga horaria se halla a partir
de la ecuacion 14.5, utilizando un tiempo
de operaci6n de 16 horas.:
Carga horaria
carga diaria
tiempo de opeiJacion,
h
360 000 Btu
16 h
22 500 Btulh
Si se hubiera sencillamente dividido la carga
(Haria entre 24 h, la carga horaria hubiese sido:
360 000
24
= 15 000 Btu/h
capacidad que es mucho menor que la reque·
rida para el equipo.
362 I La carga de refrigeracion
000000000000000000000000000000
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Objetivos I 363
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364 I La carga de refrigeracion
Carga del ueniilador del eoaporador. El ventilador del evaporador y el motor, situ ados por 10
general dentro del espacio refrigerado, au mentan la capacidad requerida del equipo. Esta carga no ha sido incluida como parte de las otras
cargas del motor en la hoja de calculos de la
carga de refrigeraci6n. Esto se debe a que dicha carga depende de la capacidad del equ ipo, misma que se conocera hasta que se haya
calculado la carga total.
Una vez que se ha determinado la carga horaria, se puede entonces deterrninar a su vez
la carga debida al motor del ventilador del
evaporador, basandose en los datos del fahricante sobre la capacidad nominal. Es preciso,
adem as, corregir esta carga para el tiempo de
operacion, en aquellos casos en que la unidad
no opere de una manera continua. En el caso
de camaras a temperaturas mayores de 35°F,
los ventiladores operan por 10 general en forma continua. En las carnaras a temperaturas
mas bajas, el ventilador se para a menu do durante los periodos de descongelaci6n y de enfriamiento. Es tipico disponer de dos horas
diarias para esta operacion. Sin embargo, este
no es un valor fijo y es necesario deterrninar10 en cada caso, dependiendo de la aplicaci6n,
el equi po y otras consideraciones. La tabla 14.2
muestra capaeidades nominales tipicas de las
unidades de enfriamiento, y mediante las cua-
Tabla 14.12 Capacidad nominalde las unidades de
enfriamiento
Btulh
Temeiio del
modelo
A
8
C
0
E
F
G
H
I
10°F TO
4500
5400
6300
8700
10,600
13,500
18,000
22,500
27,000
12°F TO
5400
6480
8160
10,440
12,720
16,200
21,600
27,000
32,400
15°F TO
6750
8100
10,000
13,050
15,900
20,250
27,000
33,750
40,500
Polencia del
motor en walts
110
120
220
240
240
360
480
600
720
les es posible determinar 1acarga del motor del
ven tilador.
Carga de descongelacion. En las camaras con
ternperaturas de la superficie del serpentin in.
feriores a unos 32°F, se acumula la escarcha
sobre el serpentin de enfriamiento. En algu.
nos casos en los que la temperatura es cerca.
na a los 32°F, resultara adecuado un simple
periodo fuera de operaci6n para descongelar
el serpentin. De otra manera, se requiere una ....
entrada de calor para descongelar la superfi.
cie del serpentin en un espacio de tiernporelativamente corto, utilizando gas caliente 0 calor
electrico. Esto impone una carga adicional
sobre el equipo de refrigeracion. En la fIgU';~
14.1, se enumeran los factores aproximados de
correccion de la carga de descongelaci6n.
14.10 La diferencia de temperatura
del evaporador y la humedad
de la camara.
.
-:. _~
En las aplicaciones de la refrigeraclon, la diferencia de temperatura del evaporador(TD)!,se
define como la diferencia deIa temperatura
de disefio entre el aire en la camaray el refri~
gerante que se evapora. La humedad de la
camara disminuira a medida que aumerite TD;
puesto que una temperatura mas baja en d
serpentin condensara mayor cantidad de la humedad que esta presente en el aire. Cada tip?
de producto requiere una cierta gama .de humedad en el aire circundante, para obtener
conservad6n, sabor y apariencia satisfactorios,
ademas de otros factores. En la tabla 14c.13,se
enumeran los valores recornendados de TD ,
que daran por resultado niveles satisfactorios de
humedad para las diferentes clases de productos. Esta tabla se debe utilizar en la seleccion
de una unidad de aire forzado. En el caso de
los congeladores, con frecuencia. se recorniendan una TD de 8 a 10°F, a fin de mantener. la
de~hidrataci6n del producto a un minirno ..
EI siguiente ejemplo ilustra la seleccion del
equipo.
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s
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Objetivos I 365
Tabla 14.13 DTadel evaporador recomendada para diferentes c1asesde alimentes?
Clases de serpentines
Serpentines de aire forzado.
of
Serpentines de conveccion
natural. OF
6-9
9-12
12-20
Mayor que 20
2
3
4
14-18
18-22
21-28
27-37
ala diferencia de temperatura se define como la temperatura promedio del equipo menos fa temperatura promedio del refrigerante.
bClases de alimentos:
Ctese 1. Productos tales como huevos. mantequillay.queso sin empaquetar y la mayoria de las legumbres mantenidas durante periodos relativamentelargos. Dichos productos requieren una humedad [elativa rnuy alta. ya que es necesarioque tenga lugar una evaporacion minima de la humedad, durante
el almacenamiento.
. .
Clase 2. Produdds tales como cortes de carne. lrutas y productos sirnilares.Bequieren una'altahurnedad relativa. pero no tan alta como la Clase 1... "
Clase 3...Carne en canal y !rutos tales como melones que tienen la cascara duraEstos productos requieren bumedad relativa modsrada, debido a que lacantidad de evaporaci6n de humedades moderada.
Clase 4. Productos enlatados y elJlboteliados.u otros productos que tengan una cubierta protectora.
Dichos productos requieren s610 valores bajos de humedad relativa, 0 no son afectados por la humedad. Pertenecen a esta clase aquellos productos que presentan una canlidad muy baja de evaporacion de humedad a partir de la superfieie, 0 abso!utamente.ninguna.
Cortesia.de Dunham-Bush, Inc.
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Ej~mp'lo14.1L 1)n enfriador parael almacenamiento
frutas a3..5°F, tiene una carga calculada de. refrigeracion de 280 000 Btutdia.
Deterrninar la carga del equipo y selec~ionar
una unidad de enfriamiento, con. per iodo de
detencion
para
descongelaei6n.
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dor tienen un total de 480 watts. Este valor se
afiade a la carga, calculada como..
Carga del ventilador del- evaporador
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480 W
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3.41 Btuth
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Solu~i6'n;;E~ tiempo reeomendado de opera·
cion del compresor es de 16 horas. La carga horaria corregida es:
Carga horaria
280 000 Btu
16 h
17 500 Btu/h
Se seleeciona un valor de TD de 12°F, reeomendado para la fruta en la tabla 14.13. Al utilizar la tabla 14.13 se encuentra que una
solucion tentativa es Ia utilizaci6n de una unidad de enfriamiento Modelo G.
Los motores de los ventiladores del ventila-
1640 Bluth
No se efectua correeei6n alguna para el tiernpo de operaci6n del ventilador; este opera de
una manera continua, puesto que la habitaci6n
esta por eneima del punto de congelacion. No
existe tam poco earga 'de descongelaci6n. La
earga real es, por eonsiguiente:
Carga real:::: 17 500 ,+ 1640
·19 140 Btu/h.
!;
EI Modelo G siguesiendo adecuado para la
earga y se seleeeiona esta unidad.
366 I La carga de refrigeracion
EQUILIBRIO DE LOS
COMPONENTES
14.11 Equilibrio de los componentes
del sistema
La seleccion de cada componente del sistema
de refrigeracion se basa por 10 general en la
carga de enfriamiento del disefio, y en las condiciones del mismo. Dichas condiciones incluyen la temperatura
del espacio y quiza la
humedad, adem as de las condiciones del medio de enfriamiento del condensador.
Debido a que eI equipo s~ f~brica con capacidades que se incrementan progresivamente,
es extremadamente
improbable que cada ur. o
de los componentes seIeccionados tenga la capacidad que se ajuste exactarnente a Ia carga
de diserio en las condiciones requeridas. Ademas de este hecho, cuando los componentes
(compresor, condensador y evaporador) soil
instalados y operan como un sistema, cada uno
de ellos ejerce un efecto sobre el funcionaruiento del otro, Esto da por resuitado que el
sistema de refrigeracion opere a alguna candici6n fija de capacidad y ternperaturas (para
un conjunto dado de condiciones extern as).
Esto se conoce como la condici6n 0 punto de
balance (0 equilibria).
Es necesario determinar el punto de balance a fin de comprobar si esta suficientemente
cerca de las condiciones requeridas, de acuerdo a la aplicacion. Si no es aSI; esposible que
sea necesario un cambio en la seleccion del
equipo: a veces, es perrnisible realizar un earnbib en las condiciones requeridas.
Es irnportante hallar la condicion de balance, no s610' para las condiciones de disefio (a
plena carga), sino a menudo en condiciones de
.~arga parcial. No es cuestion de capacidad. El
estudio de la operacion balanceada a carga par·
cial resulta iitil para deterrninar
si el sistema
operara sin un funcionamiento erratico, a de
una manera que pueda dafiar al equipo.
EI estudio de las condiciones de balance de
los componentes no solo resulta util en la se-
leccion del equipo apropiado, sino que pued-.
asirnismo servir para diagnosticar un funcio- '.
namiento no satisfactorio: hallar emil de los: '.
componentes es el origen del problema, y de.
terminar quiza las correcciones que sean ne.
cesanas.
14.12 Funcionamiento del
componente individual
EI efecto que tiene eI cambio 'de condiciones ..
sobre la capacidad de los compresores, conden. .
sadores y evaporadores'ha sido discutido cor •.
detalle en los capitulos que tratan de estes
cornponentes. No obstante, un repaso de algunos de estos efectos ayudara a la comprension
del balance de los componentes. En los siguientes parrafos, el uso de la palabra capacidad se:
refiere a la capacidad de refrigeracion del
tema: sin irnportar cual sea el' comronente de
qu~ ,se trate.
. ,.'
La capacidad del eompresor disrninuira con
la disrninucion de la presion de succion y,
consiguiente con la correspondiente disminu- .
cion de la temperatura saturada de succion
(TSS). La capacidad del cornpresor dis-rrtin'l.li,';
ra al aurnentar 1<'1
presionde condensacion. Eri'
el caso de un cornpresor dado que opera a tih~l
cierta velocidad, dichos efectos sobre eJ' ftin}
cionamiento es posible trazarlos graficamer(
te, como se muestra en la figura 14~3:.Alguria'S'
veces se traza la temperatura de evaporacion
en lugat de la presion' saturada de:;succion,
debido a que reviste mayor interes 'en relacion con las condiciones del evaporador. Es
igualmente. correcto utilizar la temperatura
del evaporador, ya que esta difierede la temperatura saturada de succion por un valor
constante, la'caida equivalente de ternperaturas en la Iinea de succion (veanse los capitulos
4 y 11).
La capacidad de un condensador enfriado
por aire auinenta junto con el aumento de la
diferencia entre la temperatura del aire circundante (de terrnometro seeo) y la temperatura
de condensacion.
sis:'
r ,
p:or'
...... : . .:
Objetivos I 367
Temperatura de
condensaclon, of
90
100
110
120
130
..c:
::;
m
-g
"C
'0
III
.
.....
C.
..•..
,
III
o
65,000
55,000
....
:
"
.
45,000
35,000
; I,'
",
Temperatura de evaporacion, of
Figura 14.3, Curvas de funclonamiento .de. un
compresor ~edproGal)ie
itipi~as).'
'I;'
;:
;:
. .',','
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" ,
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,1
-,
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:
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•
:
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'"
~.
'::.
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fI1,e~casode ¥~fl unidad de condensacion
enfriada por aire (compresor. ycondensador
bperan<:io como un,a sola unidad) la capacidad
aurnenta con la disminuci6n de la temperatura del aire circundante, y disminuye asimismo
con la disminuci6n de la temperatura saturada
de succi6n (0 de evaporacion). En la figur<\,l4.4
se muestran algunas curvas tipicas de.funcionamiento.
'"
:.La capacidad d~l evaporador aumenta segtin disminuyeIa temperatura del refrigeranI'
te que se evapora. En el caso de un serpentin
de enfriamiento de airevsi hay deshurnidificacion, la capacidad aumenta con el aumento
de las temperaturas de term6metro hurnedo
del aire. Esta es la situacion usual en los trabajos.de aire acondicioriado para confort. Si hay
poca deshurnidificacion
(solamente un enfria-,
miento sensible), la capacidad aurnentacon el
aumento de la temperatura de bulbo seco del
aire. Esta situacion es frecuente enIa refrigeradon cornercial. La variacion de la capacidad
368 I La carga de refrigeracidn
Temperatura del
aire ambienle, DF
90
100
110
65,000
~.. . ".
_
55,000
45,000
-j. :
35,000
~.. ,
".
Temperatura de evaporacion. of
Figura 14.4. CUNas de funcionarniento.de una unidad de condensaci6n enfriado por aire (tipicas) .. "'
de un serpentin tipico de enfriamiento de aire,
se muestra en la figura 14.5 para un valor dado de CFM (PCM).
14.13 Procedimientos para equilibrar
los"componentes
~ .; . ~.
"
La determinacion mediante el calculo de las
condiciones de balance de los componentes,
resultaria muy dificil. Implica la deducci6n de
ecuaciones adecuadas, asi como su resolucion.
POl' 10 general se necesita una calculadora para
resolver' facilmente las' ecuaciones,
,Sin embargo, es posible llevar a cabo un analisis grafico muy sencillo. Presenta la ventaja
de indicar rapidamente 'io:que ~cui-re con :~{,
funcionamiento tuaridd tamhii'ri lc~scbndici'b:
nes. El procedimiento general consiste en trazar las curvas de funcionamiento
de cada
cornporiente sobre Id misma grafica; Ei purito
de interseccion de las curvas de dos componen-'
res indica el pimto de balance. Esto es,' dicho
punto representa la condicion de capacidady
operacion de los componentes cuando operan
juntos como un solo sistema. Aquf, se llevara
a cabo eI anal isis de una unidad de coridensacion y uri serpentin de enfriarniento de aire.Si
se utilizan un compresor y un condensador se-:
parades, se aplica primero el procedirriiento
grafico a estos dos cornponentes, y luego ala:
Objetivos I 369
unidad de coridensacion yal serpentin de e nfriamiento resultantes.
La figura 14.6 muestra el comportamiento
grafieo de una unidad especifica de co nde nsacion enfriada por aire. junro con un evaporador de aire forzado, utilizados para la refri gerae ion eomereial. La eapacidad del evaporador
varia con la temperatura de bulbo secodel a.ire
entrante, puesto que la deshurnidificacion es
baja. Notese que la escala 'horizontal, la eual
muestra la temperatura de evaporacion, no es
lineal. La escala de temperatura esta basada en
Ia presion saturada de succion correspondiente
(debido a que esto da como resultado curvas
de funcionamiento del equipo en Iinea recta).
Para graficar el funcionamiento, se ha utilizado
una supuesta caida de presion enla linea de suecion equivalente a 2°F, Un ejemplo ilustrara mejor el usc-del diagrama de funcionamiento.
Temperatura del aire
que entra, of
'.
Tkinp~ratur~ de evaporaclon, ~F
,
Figura 14.S.,Curvas de.funclonarnlento de un evaporador de aire torzado (tipicas), ;
, I'.
Ejemplo 14.12; Una unidad de co nden sacion C
y un evaporador de 'aire forzado M; se usan jun-
i,'.,
Evaporador M
Unidad de condensaclon C
Temperatura del aire
que entra, OF
40,000
85
40
Temperatura del
aire ambiente, C F
95
105
:!;;
30,000
:J
ai
-0
CIJ
'lJ
'0
m
0.
CIJ
0
20,000
"
,',
20
25
30
35
Temperatura de evaporaci6n, OF
Figura 14.6, Curvas de funcionamienta de una unldad de condensacion enfriada par aire y un evaporadar de aire forzado (tipicas).
,
,
370 I La carga de refrigeraci6n
LOs en 1In refrigerador de acceso libre (las curvas de funcionamiento se muestran en la figura
14.6). La temperatura del aire ambiente es de
95°F y Ja temperatura en la carnara es de 35()F.
(emil sera la capacidad del sistema y la ternperatura de evaporacion?
Solucuin. La interseccion de las curvas de
funcionamiento para las condiciones espe·
cificadas, es el punto de balance. La figura
14.7, que es un detalle de la figura 14.6,
muestra la solucion, Leyendo el diagrama
se tiene que:
Capacidad
Temperatura
=
24 000 Btu/h
de evaporacion
- 21°F
La variacion de la capacidad de los condensadores evaporativos y los enfriados por
agl.l<l. adermis de la de los enfriadores liquidos, no se discutira en. relacion con el
balance de los componentes. Los procedimientos se pueden desarrollnr de la misma
manera que en el caso de los condensadores enfriados por agua y los serpentines de
enfriamiento de aire.
14.14 Desequilibrio de los
componentes y las
condiciones interiores
EI diagrama de funcionamiento
del sistema
puede asimismo utilizarse para diagnosticar las
fallas, especialmente determinar si los compo"
nentes estan desbalanceados, esto es.. si uno
tiene un rarnafio excesivo comparado con otro..
En muchas aplicaciones de Ja refrigeraci6n de
alimentos, la humedad interior se debe mantener aim nivel determinado a fin de conservar la cali dad del producto, En el caso de lao
temperatura de bulbo seeo en un interior dado, mientras mas baja sea.la temperatura de
evaporacion, mas baja sera la humedad relativa de la camara. Esto se d~be a que la temperatura del serpentin mas baja condensara mayor
cantidad del vapor de agua presente en el aire,
La diferencia entre la temperatura interior y
la temperatura de evaporaci6n del refrigeran-
..... :. '.
':::
40,000
Evaporador M
40
Unidad de condensacicin C
105
30,000
"0
<11
"0
'u
<11
C.
(3
20,000
Temperatura de evaporacion, DF
Figura 14.7. Esquema de la soluci6n del ejemplo
14.12.
Objetivos
r 371
Tabla 14.14 DT del evaporador sugerida para la humedad relativa deseada.
Intervalo de
temperatura, of
25·45
25-45
25-45
25-45
10 Y mas bajas
Humedad
relativa
deseada, %
90
85
80
75
te ,se llama diferencia de temperatura del evaporador, 0 simplernente DT. En la tabla 14.14
se muestran valores sugeridos de DT a fin de
producir diferentes valores de humedad r e- .
la tiva.
El desbalan~e de los componentes puede
crear condiciones de humedad interior no satisfactorias, como se ilustra en el siguiente
ej ernplo.
Ejemplo 14.13. Una carnara de almacenarriiento que contiene fresas frescas, se ha de manteo
ner a 32°F y 90 por ciento de HR;(PMIlledaci
relativa). La temperatura del aire ambiente es
de 85°F. La carga de refrigeracion es de 23 000
'Btu/h. Se utilizan la unidadde con'densacion .
enfriada por aire y el evaporador de aire forzado mostrados en la figura 14.6. ~Esesta una
combinacion satisfactoria?
Soluci6n. Mediante Iafigura 14.6 se observa
que el punto de balance da por resultado una
capacidad adecuada de refrigeracion de
25000 Btu/h. Sin embargo, la temperatura
de evaporaci6n es aproximadamente de 17°F.
Esto resulta en una DT de 32 - 17 ;;; 15°F~
Segiin la tabla 14.15, el valor de DT es dernasiado alto para la humedad espedficada, y
hara que eI producto pierda humedad.
La falla presentada por el sistema del ejernplo 14.13, consiste en el hecho de que el
evaporador es de rnenor tarnafio que el neceS3Tio. La capacidad de refrigeracion se obtie-
oT
(del tetriqetetue
at aire), of
8-12
10·14
12-16
16-22
156 menos
ne aumentando la DT del evaporador. Para
una HR de 90 par den to, la maxima DT =
12°F. Can esta DT, la temperatura de evapo·
radon, TE, es de 2(J°F, y a dicha temperatura
la capacidad evaporativa de enfriarniento es de
's610 21 000' Bt·u/h.Se requiere un evapora dor
de mayor tamafio,
En la figura 14.8 se muestran las co n diciones tanto para el evaporador de menor
tarnafio M, como para los evaporadores mas
gran des, N. Y P. Sus capacidades sevgrafican
para las condiciones interiores de diseiio
.'de 32°F, para no complicar la figura. EI
punto de balance de.Ta unidad N se halla
en el punto 2, con una 'oapacidad de 27 000
. Btu/h, una temperatura." de evapo rac iori
"de 20°F Yuna DT ;;; 12°F. Esta es una corrdicicrr-satisfactor ia.
.'
Un evaporador demasiado grande 'puede
asimismo dar como resultado condiciones interiores no satisfactorias. Si se utiliza el evaporador P, mostrado en J~ figura 14,8, el punto
de balance estara en 3, con, una capacidad de
refrigeracion de 30 000 Btuih y una menor DT
del evaporador. La mayor capacidad Yesultara en que la unidad estara fuera de operacion
durante periodos mas largos. Esta condicion y la menor DT daran por resultado una
mas' elevada humedad relativa interior. Apesar de que en este ejemplo en p~rticular es de
desear-unahurnedad alta, en muchas otras aplicacione~·,Ja.humedad podrla.aumentar h().pJa
niveles ina~ep'taj)les call~~i1,clo.
la, <:le~c9r.npp··sicion del producto.
:312 I La carga .de refrigeracion
Evaporadores M, N, P
(EI aire entra a 32°F)
40,000
p
Unidad de condensaci6n C.
Temperatura del aire ambiente
30,000
.r:
~
a
'Ii
o
1)
1;
CI
a..
<I
20,000
D
Figura 14.8. ltustraclon, del
eteclo
que tiene.' un
eva,,'.
.. :'
.,,'.
porador de dlmenslonss
incorrectas
las condj~
-_:
ciones interiores.
•
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T~~peraluta de ~~aporaci6n, OF
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Unidadde condensaclonF
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40,000
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Ev~porador
'-'J
I
R - -,
I
{el aiteentra a 3;;aF) ,
.'.:~
',-I
"
;-""'.::
Temperatura d~.evaporaci6n, ·,F
Figura 14.9, lIustraci6ri del etecto qu~tlene unaunldad' de condensacion' de dlrnensiones' intdri~ctas
..:_-:
sobre las condiciones interiores.
."-:
, i
.\.
.~
Problemas
I 373
En Ia discusiori anterior, no se ha conside4, ~Que es el calor de respiraci6n? ~Cuil es isu
rado el efecto de un condensador de tamafio
causa?
inadecuado. En la figura 14.9, el punto (l)
5. ~De quemanera afecta la localizaci6n de un
rrauestra el balance satisfactorio de un evamotor la carga de refrigeraci6n?
p-orador R y una unidad de condensaciorr
E,
6, Explicar el termino condicion de balance y s';l
para una carga de 43 000 Btuth, con .una .
importancia.,
." '
" ,
7. ~Cuales son los posibles efectos de u t ilizar
temperatura interior de 35°F y' una DT del eva- un evaporador demasiado grande (0 dernaporador = 14°F, para una humedad relativa
siado pequerio) sobre las condiciones del esd-eseada de 80 por ciento, La lemperaqua de
evaporacion TE = 21°F. La temperatura del
pacio refrigerado>
aile arnb iente en el coridensador es de 95°F.
8. ~Cuales son los posibles efectosde u t i lizar
La capacidad del sistema es de 48 000 Btu/h,
un condensador demasiado grande (0 derna.siado pequefio) sobre las condiciones del esaproximadamente un 12 por ciento mayor que
pacio refrigerado?
la carga de disefio,
Si se utiliza una unidad.de condensaci6n F
de mayor tamafio, el nU,t!Yo.
HtlJ!to de balance
(2) darap?T resultado u'ij'~';'2~p~cid~l?
de iefri;PRQ13.LEMAS
geracionde 60,000 Btu/h, un e~ce'so de'capa- _
!'-'
,,1""; " J-,". .r
cidad de alrededor dtI-'40 por ciento: EI sistema
,]4.I, Una ,camara frigorlfica tiene dimensione_s
o perara durante un periodo demasiadocorto. _,,':' externas d~l ~ pies de ancho x 14 p ies ,de
Mientrasrel sistema'~esti,;p;:tt~49, esprobable
'largo ,?< 12 pies de alto. La diferencia de ternque la ..hlirhedad alc'a'hc~~U'fi;:jii'vel
dernasiado
; peratura entre el exterior y la-carnara es de,
elevado. Por otra parte, mientras el sistema este
80°F. Las paredes y el plaf6n estan aisl ados
en operacion, la temperatura de evaporaci6n
con 6 pulg de placas de corcho, ~Cual sera, Ia
sera, demasiado baj_~!J()qti_'~-a~!.a"com()r_esul:,
;,:; "ga.J?a.nciaterrnica en 24 h £i .traves de las ,pa,
tado ul1
,f1
JIIJIpeda!!,:,tarpbien
dernasiado
baja.
i,:' redes y ef tecboi" ."
. ,.-.,:-,',"
" ..• , -'::-0- ..
. .,!:,. "';'
",.,_\"
,
',"
_:.i.~p
_. -,' ,-_
.'
..
, ,,S i la unidad de" condensacion 'de tamafio .-, ' ;,:-.14.2:.;EI-techode tej~s roj'~~,d~,un':E~'at~:().l~~
excesivo poseecaracteristicas de.reduccion de '.:'~ ,.:.frigerad~.esta expuesto al.sol, La diferencia
capacidad, "s~:pod~ia r~~olver l~'situaciori opec . '~entre 'la~ Ternperaturas in terior y exterior 'es
randolo a €arga parcial. Por supuestc.iesta no
de 60°F. ~Que diferenciade temperatura
se
es la mejor solucion ..Se hapagado innecesadebe usar para calcular la ganancia por transr iamente/un
pre¢io,)~lt9. p~r la u'~~4~cl,fle,
ta~., "misi6~·;'~~.caI9r
(lei techo? '
,
"
.. _:..._-•.... _.: • :-:l
,t.!"..;.L"_ , ·~.l.. ·;":'"
.•..
.,,~"-.:·'r.-·
. ..,"",_
.._.:
.,'
-',_,'
mario mayor. 'Ademas.Ta utilizacion de-ehefgia'
""'~r4~3lin ciiarto de almacenamiento refria carga parcial es por 10 general mas elevada
gerado tiene .una losa de piso no calentada
que la de una unidad seleccionada para la cacolocada sabre el terreno, con un aislamiento _
pacidad de disefio.. .
"'
de 3 pulg de espuma de estireno. El- edificio
se .encuentra en laciudad de' Nueva Orleans;
.--.- -,. Luisia~a:~ias ,dimensione~ del piso .son 2Q
PREGUNTAS DE REPASO '
pies'. de-largo ':x 16 pies de ancho: .'El'd ..rarto se mantiene a 38°F_ ~Cual es la ganan-,
1. 2Cua1 es el significado del terrnino carga de .
cia calorica en 24 h a traves de Ia' losa del!,
refrigeracionr
piso?
..
'
14.4. Un cuarto de almacenamiento refrige2. (Cuiles son las fuentes de ganancia termica
rado mantenido a 40°F, tiene volumen de 8000
del espacio refrigerado?
pies3. Las condiciones del aire ex.teri~r son·
3. ~Que es 1a carga de enfriamiento del pro·
de 95°F y 50 por ciento de HR. Calcular la car:
ducto? ~Cuales son sus componentes?
o!
·<t_;_)~•..
,..~.
"'~'
'''',
,
~_._!
1'-'
!.. ~
374 I La carga de refrigeraci6n
Tabla 14.15 Especificaciones para el congelador del problema 14.11
FORMA PARA ESTIMARLA CARGA'DE REFRIGERACIONDE CAMARASA TEMPERATURAS
PORARRIBA 'Y POR DEBAJO DEL PUNTO DE CONGELACION
-DATOS PARA R~CDNOCIMIENTOY ESTlMACIONDE LA CARGAAMBIENTE DE DISENO
.
_!}Q_
tJ
cAi.1AF1ADEL DISENO :-/
.s».
AREA DE ACCESO:
~FBS__ . _.
';FBH...J.p_
o,llHR
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°FBH ~
O;b~R(ANTESALNPLATAFORMA
PU'E;STA(~)DE'L RE'GRIGERAbO~: t'}
VOLUMEN INTERIORDE LA CAMARA:
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D10l1b.:Uh
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OJ>DEL EVAPORADOR
10°
ClASE OEL PRODUCTO
-
TlPO DE OESCONGELACION0 POR AlAE 0 POR GASESCALIENTES [!(POR ELECTRICIDAD
i·,
•.
jJe:mpo.~
ja, QlOO de~enhi:lmientD)
rDa ""9'1 "" congel;Jo"n}
P'TXftJ<J•
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.. ~~-"". ::::;',,=C:::.:·::::::., ,:.~'...,..L'~C:-=,~:::::':.:..::,:t~'c~=:::::',.=J'·~·,~::::=..,~.::::~::::,~~,
:~(L===?::""
... -L),_',
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:.;,
....:.
. .---,
v,
, :-
(pO,
FASES "',
AL;URA, PIES .J//;JIJ TOTAL EN PI~S
.
CUADRADOS(SUPERFICIE
EXTERIOR)
0/.1 '
JCJ
.._.._:.'_'
\.
~
.'
M:s:~b:
',l.
. "'- . 'r"",,,"'
J:L
DE EXTRACCI6N:"
l~
TIPO DE CONTROL:.: _.,...
.. _'
!
ANCHO, PIES
ANCHO.x
.C~SE DE PRO~~E~O Y DATOS'~~L
AMBIENTEDE DISENOEN INVIERNO, OF
DE CARGNOTROS)
.30
V-
;.J/fa
E~ERG(A'EL~CTRICA
TEMPERATURADEL TERRENOEN EL VERANO, of
(Sl EL CONGELADORTIENE_PISODE LOSA AISLADA, UTlLlZAR SS°F)
7' X l/',. 'VE'NTILAOORES
:;. R ~/3-; ANCHO~'
t 0/3
~A~AR~.~~i~ENSION
AREA OELPISO
%HR
&,5
°FBH
r
DIMENSIONESDEL EXTERIORDE LA CAMA~A:
(~'IMENSI~~,~:~)~
.sa:
°FBS.:IL
.; .
-i""':
Problemas f 375
Tabla 14.15 Continuaci6n.
NUMERO DE OPEAACIONESDE DESCONGELACIONY TIEMPOTOTAL POR 24 H.
....:/'---'-R
TIEMPO DE OPERACIONDEL COMPRESOR
EMPAOUE
~c4
<2~
ENVASES
PLATAFORMASPORTATllES;
NUM.
NUM.
·
.es:
ESTANTESPARA LOS PRODUCTOS: NUM. __
~
HORAS
t-,lORAS
3:l...J
(ENVASE)
-35 Ibs CALOR ESPECIFICO .4> lI,,/{)lbs t;1;.J_
PESO__,J:_.5_O_O_....:lb=s
__
CALORESPECIFICO
TAMANO
PESO DE CIU
MATERIAL ___
PESO DE C/U
___
..
CALOR ESPECIFICO
ESTIMACIONDE LA CAPACIDAD DE LA CAMARA PARAALMACENAR EL PRODUCTO
CARGA ESTIMADA DEL PRODUCTO = 0.40 x
PIESCU81COSx
L8/PIE CU81CO =
(VOlUMEN DE LA CAMARA)
(DENSIDADDE CARGA)
CARGAS MISCELANEAS
MOTORES(DUE NO SEAN LOS DEL EVAPORADORj
NUM. DE PERSONAS_....!.~'--_HORAS
MONTACARGASDE HOROUILLA
ILUMJNACION
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LIBRAS
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USO:
NUM.: __
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HP _
_,t"---_HORAS/DIA.
OTROS
HP
OTRASCARGAS
HORAS
_
WATTS/PIECUADRADO
ga terrnica de infiltraci6n a traves de una puerta de uso muy freeuente.
14.5. Un cuarto de congelaci6n recibe 800
lb de carne de res a 50°F, para ser congeladas
a - 10°F en 12 h. Calcular la carga de enfriamiento del producto en 24 h.
14.6. Un cuarto de almacenamiento coritiene 32 000 lb de rnaiz a 32°F. ~Cual es Ia
carga diaria producida par el calor de respiracion?
14.7. Un refrigerador de aceeso total deIt)
pies de ancho x 12 pies de largo x 9 pies
de alto, y mantenido a 35°F, tiene un usa pro·
medio. Utilizando el procedimiento rapido de
calculo de la carga, (eual es Ia carga horaria
de refrigeraci6n?
14.8. La carga diaria de refrigeraci6n de
un refrigerador mantenido a 35°F, con des-
congelaci6n, es de 670 000 BtuJ24 h. (Cual sera la carga horaria del equipo?
14.9. Un refrigerador a 40°F tiene una carga de refrigeraci6n de 240 000 Btu/dfa. La DT
del evaporador es de 15°F. Deterrninar la carga del equipo y seleccionar una unidad de enfriamiento sin descongelaci6n.
14.10. Una unidad de condensacion C enfriada por aire y un evaporador M de aire forzado (figura 14.6), se utilizanjuntos en un refrigerador de acceso total. La temperatura del
aire ambiente es de 100°F y la temperatura
del espacio refrigerador es de 40°F. cCual es
la capacidad del sistema y la temperatura de
evaporaci6n?
14.11. Calcular Ia carga de refrigeraci6n del
congelador de acceso total descrito en la tabla
14.15.
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·1.1
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Capitulo
SISTEMAS DE SERVICIO
ELECTRICO. MOTORES
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En este capitulo se describen los' sistemas de
servicio electrico utilizados para suministrar
.energia alos motores, y se ofrece informacion
sabre los tipos de motores que se usan para accionar los cornpresores y otros .equipos, compIernen tar.ios 'qe la refrigeracion, Se presenta
prirneramente un repaso de. algunos, de los
conceptos fundamentales .de electrioidad.Las
explicacioriesyscn breves" pero adecuadas a
.Ios fines. .que:;,sepersiguen,
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OBJETIVQS "';.
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E1 estudio de este capitulo perrnitira:
1. Explicar los terminos basicos utilizados en
los sistemas de servicio electrico,
2. Delinear y describir la disposicion d.e los sistemas de servicio electrico,
3. Identificar y explicar el usa de dispositivos
de protecci6n contra sobrecargas de corriente en el circuito.
.
.
4. Ideritificar y describir las caracteristicas de
los motores.
-;
5. Esbozar el circuito y describir la operaciorr
de los motores rnonofasicos.
6. Identificar y describir los tipos de motores
trifasicos,
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:;,"'1
15~1Voltajev'corriente, resistericia.:
. Los electrones son particulas elerneritales que
poseen una carga electrica negativa. EI flujo de
electrones en un circuito, ]0 que se conoce como corriente electrica, es .causado.por-unajuerza electromotriz (FEM). Esta fuerza se conoce
asimismo con los nombres de potencial electrico.
y voltaje. ,EInombre voltaje se derivade Ia~pni-.
dadde.medida de.la fuerza electrica, el volt{E)~
'.: ...Existe un voItaje cuando hay un exceso de
electrones en una parte del circuito, err.r elaqion con otraparte del mismo. Es decirxse.crea
una diferencia de potencial. Los electrones son
particulas que tienen una carga electr ica negativa (- ). Cuando hay una deficiencia de electrones, existe una carga positiva (+ ). para describir las condiciones-de drIDLpositiva y cargq.
;;egativa; se u tilizan los terminos polaridad neff3~-~~.1polarit;la4.positiva, respectivamente. ~l
corriportamiento de las cargas electr icas es de
tal naturaleza, que se origina una diferericia
de potencial (voltaje) cuando hay una polaridad
opuesta entre dos puntos. Si se proporciona un
circuito 0 conducto completo, los electrories
fluiran desde la polaridad negativa (- ) hasta
la polaridad positiva ( + ).Las baterias y generadores constituyen dispositivos electricos tipicos
cap aces dedesarrollar. urr.voltaje. .,,::'
377
378 I Sistemas de servicio electrico
EI flujo de Ja electricidad se llama corriente. Se
mide por medic de la unidad Hamada. ampere,
o simplemente A (I). Para que pueda fluir la corriente en forma continua, es necesario que haya un circuito 0 camino completo a traves del cual
circule la corriente. El flujo de la corriente es
resistido por una propiedad del material
a traves del cual fluye dicha corriente, conocida
como resistencia. Algunos materiales, como el
cobre, tienen una resistencia electrica muy baja, por 10 que se les llama conductores. Los rnateriales que ofecen una alta resistencia electrica
al flujo de la corriente, se Haman resistencias. El
tungsteno constituye un ejemplo. Los materiales que no conducen una cantidad significativa
de corriente se Haman no conductores 0 aisladores ·.. El.vidrio es un.ejernplo, Existe adernas un
grupo de materiales llamados semiamductores, los
.que conducen la electricidad.solo en ciertas condiciorie~L;'
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15~2Corriente directa y
'corriente alterna
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La! corri'ente electrlca' qhe siempre fliiye.eri uqa
dire;cdon se con ace como corriente direda (c<.D.
E-:sta_: cotriente'ffialta cuando el voltaje (fuerza)
seaplica siempreen larnisma direccion en eI
circuito, como en' el caso de una baterla. Esto
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es, ~ voltaie no cambia de .E.2larjda~._El voltaje.
de la cd es de valor constante cuand~rocede
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<:QlJ}Q.~~.iiiE~~~!.ill:Pero
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ble hacer que. varie su valor utilizando disposi.
tivos apropiados.
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,!-a corriente 9!:leinvierte peri6dicamente su
direcci6n de flujo se llama corriente alterna (ca),
se produc~
un voltaje que' cambia de die
reccion, La electricidad para mover motores es
-C:~;iempre generada y transmitida
como corriente alterna, debido principal mente a que
los costos globaJes son mas bajos. La corriente
directa se utiliza en algunos controles, circuitos
electr6nicos y otras aplicaciones especiales.
'y
15.3 Caracteristicas de la
':,.,corriente 'alterna ..<:.):
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EI voltaje producido por unabateria tieneun
valor constante y no cambia de polaridad. Esto
. es, la fuerzava siempre enla misma 'direccion
en el circuitc/vease fa figtira'15:1 (Ci): De aqui
resulta quela corriente fluye siempreen unasola
direccion.
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. En un sistema de corriente'ialterna, el' generador electrico produceun-voltajecuyo valor-a!
igual que su direcci6n, varian periodicamente
con el tiempo. El voltaje se eleva hasta un valor
maximo, cae hasta cera, luego,se.eleva Y'<i~e!de
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1/QOde segundo para uria . '
corriente de 60 Hz
(b)
Figura 15.1. Cornparacion de las corrientes: a) dlrecta (cd) y b) alterna (ca).
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Objerivos I 379
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nuevo, pero en la direccion opuesta, como se ve
en la figura 15.1 (b). Esto es, se invierte la polaridad del voltaje, La forma de la curva del voltaje se conoce como una onda senoidal
En la figura 15.1- (b) se muestra la curva correspondiente a un cicIo 0 periodo que se repi- .
te continuamente en el tiempo. La medida a la
cual se repite el cicIo completo, se']lamafrecuencia. En los Estados Unidos, la frecuencia es generalmente de 60 cicIos por· segundo, que-se
abrevia como 60 Hz (hertz): Esto es, la polaridad
delvoltaje se invierte 60 veces .por segundo, y
un ciclo dura UO' dieciseisavo de segundo. Es conv)Aiente definir la longitud deun ciclocomplet6 como 3600, el mimero de grados -angulares
en un circulo completo. Esto coincide con el hecho de que el' generador d~'vOlt~J~\es\in:'disp6. si tivo rotatorio,
ciclo de'.vb"fiaje'tiene l(i\gar
r : /'
durante 'una rotacioncompleta del gerie'dld'br.
La posicion sobre el eje del ticlifde tiernpo 'se
conoce como angulo de fase. Por ejemplo, hacien'db: referencia a la figura 15.1 (b), el voltaje alcanza un valor maximo a 900, cae a cero a 180°,
y luego se eleva de nuevo a su valdf"iliaxi';rio
(en la direccion opuesta) a 27Qo, y luego cae
a cero a 3600 tohf6hne"se Z6ilipl~'t3:'ull c~do.
'. ~<l: corri~]~v~;t~.l?bi~ri~s~lfe'y~:~ij~;
asi
como
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mvierte su direccion, como resultado del modo
como se aplica el voltaje en un .circuito de ca,
Se dice q~e:Y~:coITie~i~
~fybY~je
'euarido se eleva y "ca,(de acuerdo coil este, 'como
se
Esto' es, ~b:~~"t~;
sltrl'ab6rl,
hi conjeht~ albri:~~'~ll v~or'iiifutihi8,:'c~~f~ 't~ro,
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y se invierte al mismo tiempo que el voltaje. Esta relacion se puede asimisrno expresar diciendo
que el angulo de fase (entre la corriente y el voltaje) es igual a. cera,
.
15.4 Jnductancia
y 'cap·acitancia.
El equipo al cual se aplica la corriente se llama la carga_ Para los fines de la siguiente discusion, es posible suponer que practicarnerrte
toda la oposicion al flujo se localiza en la carga, ignorando temporalmente cualquiervalor
de la misma en los alambres conductores, Ya
se ha mencionado anteriorrnente la propiedad
de; resistencia. Cuomdo iii cargo'solo time resisten'cia,' la' CiJrriente j: ePubltaje ~stan etifase: -. ; .,
, ", Existen citra's'doscaracterfsticas que'Ia car'ga pu~d'eTeher, aderh1is' 'de ri~ resistenciajque
'tarliiJ'len afectan el flujode lacor+iente; Estas
'son 'la inductancia y la cap'a,;;itb:ftciaJ-Ambas caihcteflstidslsoio
presentan 'enel flujo de Ia
'corriente iiHerrl~> '; .\:.;\1,:\,:'" ::\'.\ "\\\_ ""',i,,"',
~e;
~iiMuctarJiUL Ei' f1ujo ;d(na~tdrriente[~'e1edrica a
'tia\r~s de ti~ 'aJa:iriorE, crea! ~il'campo detfueria
hia'gne'tibi alrededordel-rnismb'
les como relevadores y'Eo-tItatfores/para: aonr
y cerr,ar los circuitos, y hacer que funcionen
'ld~'Iri()to'res~Em pHa;; en 'est~ lmomeiir6\§e\ 'tietie urr maydi' iil'tet.-es e'jii'la' discu'si6n' de otro
'efecto que 'podria odirri'r:S(la corrieIlte se de'va'}icae''(c()riien'te artern;~};eFcariipb'magriet:i.'co ale'ariza' Sl.r 1Ht~iisfdad' max:irrfa desihiriuy'e
un m~d~ siITill;~~frl.ente;
':g_b' alaiObr~-'e'sta aayace"I1te ,aFt1'fcuit({enetgi.
'ia~'
los' 'carnbios
el'''C'amp'O niagIietico
Y
~iin~gQn-
.s!.~.
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'.'
Esta'fuerzase
'UtlHia' e'nro~Pdisposi tivBs' eledrome'cciriicos'/ ta-
en'
i.e:~~~YQit;j~~}:Jl1iiW:IT,rerue~fl'
'eI ~,~@ndo:·aIartibre.'E'ste·efed6
se 'llama 'iiiductani:S y 'es' hi bise'-'sobte 'la 1;;;) "ftihc1On!~IVI~s
. tran~f6rmadores y" los motoJ-'es de iriducci6n.
E'stos equ"ifios Y disp<?'sltivos' 'se"discu.th.-ah'mas
a<ielaiil~~"~;' ,! '~!'.: .:. j.'.: •..•. ,' .. : .•. :,' '.,'"
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Figura 15.2. Valtaje
..., ....:
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y c'oi'i-ierit~'enf~s~.
Cu~ndo~fluy~ 'corrien'te ilterna 'poT u'iIa boo
biria
<ilairt6te:;~rcamp'o magn'etic"Q'c:arrtoiah'tt 'i~dJce uri Voltaje' en'
misd!o alafu1Jre
de
est~'
380 I Sistemas de servicio electrico
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pacitancia en un circuito de ca se conoce como
impedancia., far supuesto que en un circuitodea, la resistencia es el unico efecto que existe.
Vollaje
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8
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15.5 Relaciones del sistema
electrico
0
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"0
i,
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El.voltaje..la corriente, la resistencia y la.po.
tencia de los sistemas electricos se relacio nan
mediante ecuaeiones que se utiIizan en los calcu.
los -electricos. .En esta .parte: .no se tiene el
proposito de discutir dicho tema; pero.vpues.
to que dichasrelaciones dernuestran tarnbien
el. funcionamiento
genera] de los: sistemas, se
.estudiaran, en ~ste apartado..
_,
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Figura 15.3. Voltaje y.corrlente fuera de fase (Ia
corriente S9 retrasa).
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(efecto conocido co~o autoinductanciai, en la
direccionopl1?,sta:al voltaje aplicado. (Se hace
a menudo refer~rci<)..;aestevoltaje com? una
FEM, con traria). J!:1.voltaje que se opon,e, r.e,trasa
el paso de Ia corriente.La -corrien te se retrasa
con.respecto al voltaje aplicadc.Condicion que
se muestra enla figura 15.3 . Lacoiriente ya no
estd enfase cC!nel uoltaje, d~ftrre~~ia del caso
en donde hay una carga de resistencia pura.
Esta fase de retraso, resulta importante, porgue
produce tl~~ pe~ci/da'9~p'ot~~~ia uti(L~~;,ITI-a.
to!~?,:y;of.x;9~qisR9siti::,ps eqll,ipa~os con bobinas t~,e,nf±:l)}.~!l~;<:ftrga
de inductancia asi ('01119
ull"! cargade resistencia.
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voltaje,
,ITi~nte y resi~~rn<;:~a,tanto en Ios circuitos .de
'C((S()In95~~
,£~;se_e~'p~~~aporla sisHi~Ift~ ~<;,~~.
cion, l~am4(b, 'iey de"Ohm: _,
", "" "'.:
a
C~P~~.i.t.q~f-i~~LU~"'~~D:d.en~~p.o~
es un ~is~~si.
tivo Qlle" <;()nsta de Aos placas metalicas sepa·
.radas p.P1_;;lln aislarniento.
E;s.te:?i,~Ia,~ientase
lIam.~ diel~c;:tricq. ~t(F3:n~e ~afl.pliCaci6nde un
v91t3j~, ~s pos,ib}.1e
,ahnf!S~1Jar,~na carg~ el~str.i.
ea en el condenskidor. Esta caraeteristica ,se Ila·
n;; (~p~ita~~i~. ','~~~~dp,
~~"~
plic~ pn voi taje,
d~ 5=a!,el conderi~ador s,e carga y, descarga aI·
ternativamente. EI efecto que prodpee la capa·
.eitancia euando se instala ·en serie can una
carg~ en un~ir.cui,to de ca, ,es el de ~etardar el
volt~e ~n relaci6n,con la corriente. Estp es, ]a
corr!ente se ad~la;nta al.,voltaje " un efecto_opues·
to al de la inductancia. Las aplicacian,es de es·
te efecto se trataran mas, adelante. El efecto
,c()mbina4o que ejercen,sobre el fluj~ '~e If!ca·
rriynte, la resistencia, la inductancia y la ca·
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Ll_a.f~y"qe,.o~m>,~~ rd~~i6n_:eDtr~
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!:... ..,..,. : _ .'-; . _'\,., .,' ~ ..;:
,e,!l~rgIa,.tiene, por 10. general. tin interes in.?S
q~'e'I~"~Il,ergracl.i'a~q.ose't:rata
de i :
I
J . ~,
:., . '. ~ " . ,_.' ~ ;
tOTes. La potencia se mide en watts (W) 0 en
kilowatts (kW). En un circuito de cd, y en un
circuito de ca donde la corriente y el voltaje
estan en fase, la potencia consumida se expre·
sa por la siguiente ecuaci6n:
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P = potencia, en watts
E
1
valtaje, en volts
corri~nte. en,.aIl1per~s.
(15.2)
Objetivos f 381
En un circuito de ca donde la corriente y el voltaje no se hallan en fase, Ja ecuacion 15.2 no-expresa la potencia
consumida. La potencia real consumida en este caso particular esta dada por la siguiente
ecuaci6n para una sola fase:
'
Factor de potencia.
P == E
X
1
(15.3)
FP
X
en don de
'P, E, 1
Ff.:'
son 'como ya se indic6
(-,
-_
factor de pote~c~a
La potencia real se rnide general~enfe en
la carga mediante un instrumento de rnedicion
de potencia coriocido como vatimetro.Elproducto de la corriente pc;>rel voltaje es la "potencia aparente", y se expresa comb: '
".' ('15.4)
Pap =E X']
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Enactor de potencia seexpresa por
te relacio'n: ;,.:' .' r .j;
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(15.5)
FP'
P
Pap
Maternaticamente, el factor de poten cia es
el coseno del angulo que representa eI ca.rnbio
de fase de la corriente con respecto al voltaje.
Cuando' existeuna' catga iri'ductiva, la potencia real es menor que lapotericia aparen te. La
explicacion de este fenorneno se observa en la
figura 15.4
La figura 15.4 (a) es la grafica de la p otencia cuando.la cor'riente y elvoltaje estan en fase. La' figura 15.4 (by 'esIa grafica de aqu'ella
situacion en laque'Ia ccrriente se retrasa con
respecto a la cori-ierit~~ Notese que' exis t'e'~n
realidad u n periodc)feh'el que la potericia es
ne'gativ'ii.::'Est'a':potenCia no.realiza trabajo util
al 'operarel motor. Resulta indeseabl~ debido
~ que es preciso transrnitir mas corr ien te, 10
que aumenta las perdidas en la Iinea. La capacitancia'hace queIa corrieritese adelante alvoltaje, esto es';' eleva el 'factor: de 'potentia, ,se
pu'e'cie'Utilizaiipar<'l'mejorar unbajo Jac~bide
potenciav': f<,"': 'to
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Pirdid~n:iincz'linea(I2R). Para:vehcer Ii tesis·
tencia de; los~-alaihbresconductores. 'se'pierde
una delta cantidadde potenCia,'inisiria'qiie se
'}·;.1..
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factor de potencia
potencia real
potencia aparente
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Carrje~t~:
. aY'"
Figura 15.4. Efecto del factor de potencia sabre la
potencia util. a) Elvoltajey la corriente estan enfase, toda la potencia es positive. b) La corriente se
b)
retrasa con respscto a la potencia, parte de la potencia: es' negativa.
" , ,r
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I,
382 I Sistemas de servicio electrico
convierte en calor. Esta perdida se expresa por
la ecuaci6n:
(15.6)
da fase se transmite por. un conductor separado,
dando por resultado una potencia tr ifasica,
La potencia entregada en un sistema trifa~
sica esta expresada por la relaci6n:
P
en donde
potencia perdida en los cables, en watts
I = corriente, en amperes
R
resistencia de los cables, en ohms
E
voltaje
P
.
i'
I'
I'r'
Ii.'
jo.; .:
'.....
....
,"
..
Resulta evidente de esta ecuacion que.es acofl~
sejable reducir Ja corriente, de manera que disminuyan 'las perdidas enla linea; estasperdidas
representan un desperdjcio de energia Yen ca50S extremes sobrecargan peligrosamente
los
cables.
Esta
constituye
una
de
las
.razo
nes
por
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'.,'
.'
'
las. que la energia se transmi tfi a largas distancias a voltajes muy, elevados, .t,
.•
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~::
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"';:-~
- .' ,
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Potencies monofdsica Y trifdsica. La figura 15.1
ilustralas, caracteristicas de voltaje con r~sp~c·
to £11t,iemp?de ~na corri,~nte alt,ern,a:1!!orzofdsi·
ca. Se utiliza un solo voltaje para hacer pasar
la corriente a traves de un conductor. En realjdad, A~ potencia t;:l~ctricclen graIl,escala se ge·
nera ,!=q~o potencia (rifdsicp:, El. generador
dec~T;icq,cif;sarrOUat:re~Y,g)tajes separados (rnonofasicos), cada uno defasado 1200 como se
aprecia en la figura 15.5 . La corriente de ca-
=
1.73 x E x 1 x FP
(15.7)
15.6 Transformadores
Un transformador es un disQ_92itiy,Q.gue cam:
.J2ia el voltaje alterno de un circuito a un voltaj!!._<i!!ecto mas alto 0 mas bajo en otro circuito:
En la figura 15.6 se rnuestra un transforrnador
simple. Consiste en dos bobinas 0 devanados
enrollados
en.... un micleo
de hierro. El devana.
.
-.
.
do queconduce el voltaje original se llama Pr:ic
mario, y el. otro es el. secundario. '
......
,;
La corr iente alterna en el primario produce un campo ma.-gn,e~ico.con Iineas de fuerza
que atraviesan la bobina secundaria, induciendoun voltaje en la misma. La relaci6n de los
voltajes es directamente proporciorial a la reo
la,c::i,9~d~1~,\i~~rq .?e, vueltas en las dos bobinas. De esta manera, si la bobina primaria.tiene;
1000 vueltas y la secundaria 500 vu~itas, ~fvoi:
taje secundario sera Iamitad del voltaje primario. Un transforrnador que disrninuya el voltaje
se llama transformador reductor Y el que 10 au;
menta se llama transformador eleuador.
.:,,'
;'
-;
15.7 Caracteristicas del servrcio
electrico
!
n':
.'.-:,'::"
La corriente alterna-se distribuye a voltajes
.muy altos desde la planta generadora yse va
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"
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"Primario
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(5
Dela {
fuente
-de
voltale .
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Figura 15.5 Voltaje en un sistema trltasico. EI sfrnbolo cp representa la tase.
Nuclao de hi~rro
.:'!':. ;:_',:
~'-.'
. :.
Fi'gura '15.6; Elementos' .bastcos. ,de un transtorrnador.
' ;;;
Objetivos I 383
Interruptor
Conductor
activado (U)
de servicio
120V
120V
. Tierra.
Transforrnadcr
Conductor
actlvado (l2)
Figura 1~.7. Servicio rnonotaslco trifilar, 1201240V.
reduci~~do' gradualmente segun 'fa 9ist~~~ia
del transforrnador, son como se muestran, Las
por recorrer y los requerirnientos del usuario.
conexiones a traves de los dos conductores ex·
tern~s, llamados terrninales ~~tivados, surnin is,Exi~t~ una amplia gama de!posibles _volqijes
tran 2~0 V. Las conexiones.entre cualquiera de
de' servicio y arregl?~, pero .solo ~.e'desc:~i,~i~an
los conductores exteriores y el del centro .sual~nos de los tipos mas utilizad9s.'gr,im~ra.
mente, se debe.distinguir entre el voltaje de serministran 120 V.~ <
'"
;/' El conductor central, llamado neutro, esta atevicio (0 nominal) y el voltaje de utilizacion, un
( ;"izado. Esto indica que esta conectado direcpu nto que algunas veces cau~a confusion. E1
) tamente al suelo (tierra) 0 a un tuba, varilla u
uoltaje
de, seroicio
es~l
v~itaje
su~inistrado1," por
•
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) ~ ." : "
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J .'. __ . _ :. :'
]<,1; cornpafifa suministradora d~;,e~e.ctri.<:,i~?cl, \ otro objeto conductor que sf!coriecta a tierra;
, Este conductorfiene
aproxirnadamente ,cero,'
mientras :qB~eJ voltaj~ de util.~zacip.11::
e,s e~voltaje
vq~~aj,el.el vqltaje qer.~,u,e~o.;picho conductor,
disponible.en el ~ot?r.q 9l~1,qu~~rotro dispo',_ng
tr<Hl~mitecorriente algunasi las cargases·
sitivo. .l~]
Y9,l,~~je
d,~~tilipc~pp ~pll,aSl?,~P.;9V;~
tan equilibradas (son iguales), entre este,y)os'
el ;V8\taje c!e:~~~p'i~io,a causa d,~,!:.i,:~,~a.~~,~
.de
dos.conductores actives. ~~t;;t es la r;;tzplJpara
v9.l;ta}~~::p'~qyoca4a
por lasperdidasen Ia.lfnea.
'Por ejernplo, cuando.se hace referencia a.volderomirr4;r!9.,':.neHtr9"~E,:Ll!l?~ 9~,uncable nell';
tro perrnite utilizar alambres conductores de
tajes de 115 V, 120 V y 11'0
ei voltaje de
menor tamario. Cada conductor activado coriservicio es normalmente de 120 V. Los volduce solamente la-cargaentre este y el neutro,
tajes mas bajos se refieren al voltaje disponible
Sin el alarnbre neurro, 'cualquiera de los dos
en el equipo 0 al voltaje nominal del equipo.
En esta seccion se explicaran.los-voltajes de ser- , .coriductores conducen entre ellos la carga
total.
," "
vicio y los voltajes nominales de 19,5' motores
/~ La conexion a tierra se hace co'n 'el':fi~ de
se trataran mas adelante en la seccion correspondiente a los motores .. '
'\ proteger al sistemacontra ui1'a elevacionsiib i-l
/ ta del voltaje y proteger a las personas contra',
'j un cheque electrico. Adernas del sistema, tam-.
Monoftisico, Trifilar, 1201240 V. En la figura
I bien el equipo debe estar conectado a· tierra
15.7 se muestra un diagrama de este tipo de
c'_para protegerlo contra un choque. ','" '
servicio, Se usa por 10 cormin en aplicaciories
En las in.,st~ICl.cjones
residenciales antiguas
residenciales y en algunas comereiales de pe·
querio tamafio.
es posible encontrarun servicio simple bifilarmonofasico de 120 V (figura 15.8), pero esta
Este servicio sumunistra corriente monofasica ya sea a 120 V 0 a 240 V (10 que se escribe
liI?i~ado ,a cargas ll}llY peq~~i}~~, puesto qV~;
los conductores deben ser de m,~y'ordiametro,
como 120/240 V). Las conexiones al secundario
I'
..
J
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I..•
I
.,
I
v:
384 I Sistemas de servicio elecrrico
lnterruptor
conexi6n en tre cualquiera de las rases y el neutro suministra corriente monofasica de 120 V
para la ilurninacion, 'cantacIOs. y pequefios rnoto res de una sola fase. La conexi6ri ~!ltte des
fases surnin istra corriente moriofasica de 208
V, Y la coriexion a traves.de las tre;~.fases\suministra corrien te' trifasica de 208,'V para: moto.
res de mayor capacidad. :'Este ~c:!rvic,ib tiene
amplio uso en las aplicaciones cornerciales, y
ha sido instalado en '~lgun'as areas resldencia.'
les donde se utiliza mucho el sistema central
de aire acondicionado, con el fin de utilizar
rnotores trifasicos para los compresores de refrigeracicn.
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',:V:;
de
servicio
Fusible
activado
Conductor
~..---o
120V
~
J
Neutro
I
Tierra
Figura 15.8 Servicio rnonotasico bifilar, 120 V.
Adernas no es posible utilizar los equipos alam,'
brados para '220 V, tales 'como estufaselectricas
y unidades grandes'tie aire acondicionado.
Para cargas rnayores, se surriinistra normalmente corr iente'trifasica. Esto se debe tanto Ii
a que losmotores de mayorcapacidad son del
tipo trifasico, como a que los diarnetr'os Be los
conductor~s son men ores que los requeridos
pafauria sola fase.':"
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Figura'!15';9; Serviclo trltastco de cuatro hiles,
120/20e:V. EJsinibolo erepresenta la fase.
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La figuri15:~O
es tin 'diagrarna de'dicho servicio. S'e uiil1z~'\i.lf'
transforrnador tipb!I'ddd'" asi Ilamado debi~;~
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V En la ~figu;·:
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do' a la: disposicion 'de: sus bohinas.'
,'L~:',,\
'Se dispcrie-de servicio .monofasico 'a 120 Vi
entre cualquier 'terminaldefase (LJ' 0 L3):'yi
elalarnbre neutro-Sesuministra servicio fuh~'
ra 15.g'se muestra'tm diagrama de escetipoad
servicio: El transforrnador Je corioce COD10 del'
ti po "estre IIa" "deb ido a' 13: disposicion de' sus
bobinas. '
'~" i",>
';i,;!~':,,::,:,', ':", ','
, Este;serviclo ti'e'rl~cuatro conducrores, tres'
cables 'de fase (activados) y iin cableneutro. La'
'C',
.
,\ TrifciSica/cuatro hilds, J201240'V.
'
',", J.
Trifdsico, de 'c''iiair6 hila'S,12'O/208
~ v _.
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Objetivos I 385
Interruptor
de servicio
Transformador
en delta
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120V
120V .:
Neutro (N),
,
.'~:
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Fi~iu"ra15:1'0. S'eirvic'i6~irifasico;de':':cuafro
hilos,
. ~,.
120/240 V. EI sfrnbolo rp representa la tase.
Trifdsico, cuatro hilos, 2771180 V. En la figu·
ra 15.11 sernuestra un diagrama de este servicia. Resultarnuy conveniente
las gran des
instalaciones comerciales. Los motores de gran
capacidad son alimentados con corriente trio
en
fasica a 480 V'y b iluminaci6n f1uorescente
can corr iente.nnonofasica a 277, V .. Los voltajes mas elevados perrnjten un considerable
ahorro en cuanto a diarnetro de los con duetares.
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Transformador
Interruptor
de servicio
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Figura 15;1he Servicio trifasico de cuatro hilos;
';2.77/480,V. El.sirnbolo rp reprssenta la fase.
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386 I Sistemas de servicio electrico
, I
"
.Entre cualquier fase yel neutro, se surnin istra corr iente rnonofasica a 277 V, Y la trifasica
a 480 es suministrada por las tres fases, Asirnismo, es posible surninistrar corr iente a 120/240
V al edificio mediante la instalacion de un
transfonnador de reduccion, alimentado por
corriente monofasica a 480 V proveniente
de dos fases para el prirnario del transfermador.
Existe asimisrno un servicio trifasico, trifiJar, sin neutro, pero el servicio de cuatro hilos
es el que se instala generalmente en los sistemas modernos.
15.8 Proteccion del circuito
Un exceso de corriente (0 sobrecarga) en
cualquier pane de un circuito electrico puede
sobrecalentar
los conductores,
debido 411
aumento del calor de resistencia ]2R. EI sobrecalentamicnto puede fundir los alambres y dar
origen a incendios.
La sobrecarga de corriente puede asimismo
daiiar motores y otros equipos debido a los
misruos efectos (sobrecalentamiento,
fusion e
incendios). EI tercer resultado posible son las
lesiones y hasta la muerrede las personas, como resultado del cheque electrico causado por
el paso de corrientes elevadas a traves del cuer"po' d~i individuo.
' " ".. ".."
,"
A fin de protegerse contra dichos .riesgos,
se requieren disposi tivos prgte<:t.~res especiales
y ciertos arreglos en el alambrado de los circuitos. Para pr,oteger a los circuitos se utilizan
combinacioneh de interruptores y dispositivos
protecrores contra la sobrecargn: En elmercado se encnentran disponibles dos tipos de dispositivos protectores de los circuitos.losfusibles
y los interrupiores de circuitos. Los dispositivos
adicionales que se utilizan unicarnente para
proteger motores, se discutiran mas adelante.
La sobrecarga de corriente puede ser el reo
sultado ya sea de una sobrecarga en el equipo,
10 que origina una toma excesiva de corr iente, 0 de una falla en el sistema, ya sea un cortocireui to 0 una falIa a tierra.]:! cortocircuito es
I,
una condici6n en la cual el circuito torna el "ca-
~;~i~?~§!s_l<ii~9.~:J~'~b~!.~~~~~
e12~I~
cables cargados eD rugar d~.p'asar a tray.es_Qe
~una-'carga.Esto origina una corriente muy ele.
~a
Lalla a tierra es un cortocircui to ~
tierra 0 al cable neutro.
~ls'positTv-~tra
la sobrecarga de corriente operan detectando el exceso de corriente
y resporiden sencillamente abriendo al circui.
to. Esto se conoce como "elimirracion" de hi
falla. Por 10 general, el circuito perrnanece
abierto hasta que se.cierra rnanualmente. Esto
es, el dispositive no esta construido para cerrarse a.'ltomaticawen~e, excepto en coridiciones especiales,
,_..',
Los requerimientos en cuanto a tipos y ubicacion de los dispositivos de control de los circuitos estan regidos por diversos c6digos:y
normas, en particular el NationalElectricCode
(NEC).en los Estados Unidos. Es absolutarnen:
te necesario que el tecnico electricista este famil iarizado can este codigo.
i
vaaa.
15.9 Fusibles
un
·f'"
EI fusibl~ e's; dispositive, sencillo pero efe2·
'tiva: contra la sobrecarga 'de <'c9~ii'eri'te. t;}:~va adentro una cinta metalica coriun punto
de fu~ion bajo en serie 'can (a line"a~Ciiando
fluye--a"tra:~e~ del metal iI~a' corrierite ~ignificativamente
por arriba del valor ,'ri'ominal
del fusible, 141 resistencia del .metal hace que
se sobrecaliente y se funda, abrierido el circuito.
Basicamente, existen dos clases de fusibles:
el tipo de Lapan y' el tip-a de ciiriuclu) (figor'a"
15.12). El fusible de tapon se utiliza por 10 comun en viviendas y se puede obteneren valores nominales de hasta 30 amperes. El fusible
de cartucho, que se utiliza tanto en instalaciones residenciales como de otro tipo, es posible adqu irirlo con capacidades de mas de 30
amperes.
Los fusibles del tipo de cartucho pueden se~
renovables 0 no renovables: En un fusible de
tipo renovable esposible reernplazar eI lisf6n'
Objetivos I 38"
..
_
-,,:
.~.
'..
De casquillo
De cuchilla
Fusibles de
:.'
cartu~h'6;J
t, .
"
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metalico que se haya fundido, Puestoque 5610'
se sustituye el eIemento rnetalico, los fusibles
renovables representan un ahorro. Sin embargo, existe una objeci6n: inadvertidamente se
puede utilizar como reemplazo un list6n de capacidad incorrecta.
II fusible de tiempo retardado tiene un elernento que resiste la sobrecarga de corriente durante un corto 'periodo, antes de fundirse. Este
tipo se utiliza como un dispositive protector
de motores. Estos requieren una'gran cantidad
de corrientedurante un corte per iodo en el
arranque! Esta corriente nodura ]6 suficiente
para producir sobrecalentamiento y, porsupuesto, el fusible no debe fundirse durante esta
acci6n normal.
Los fusibles se combinan a menu do como
parte de un interrupter de desconexion (figura 15.13), mismo que se utiliza para aislar un
circuito. Los fusibles se colocan en serie con
cada linea del interrupter.
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15.10 Interruptores de circuito
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;, ELfus~p,le:constituye obviamente up dis positivo algo inconveniente, ya que es neeesario
removerlo y sustituirlo. EI interruptor protector de circuitos es un dispositivo de protecci6n
,contra: la sobrecarga de coi+iente; que 'perm anece perrrianeritemente-en el circuito y que
despues de elimirrada la falla puede serresta'blecido (vuelto ',f cerrar). Resulta rriucho mas
conveniente 'que un -fusible:
.
El interruptor"protector' de circuitosIfigura 15.14) es un interruptor que opera automaticamente. Coritiene un mecanismo de seguro
rnecanico que rnantiene cerrados los contactos
electricos. Un resorte se encarga de abrir los
contactos. La sobrecarga de corriente' dispara
el seguro, haciendoque el interrupter se'abra,
o dispare. Existen dostipos deIriterruptores
de circuito, de disparo milgnetic~ 'i'de' disparo
termico.
388 I Sistemas de servicio electrico
"
:
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--,j:
Figura 15.13. Ihterruptor de desconexlon para fusibles tipo cartucho. (EATON 'Corp'.; CiJli~r-Hcirhmer
Products).
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..: El interru ptor de disparotermicolleva.una
Lasobrecarga de. corrien te ca'I~enta esta cinta Sl.l!=entonces se dobla, debi<;10 a los diferentesefectos de, expansion delos
l~letales' que consti tuyen la cinta.
suel tao ,'asl
el s,egurq;y el interruptor-se. dispara.,
. El interrupter ,de disparo magnetico 'contiene una bobina solenoide. Cuandc pasa una sobrecarga de corriente a traves de.Ia bobina, el
.campo electromagnetico que se origina alre.dedor deesra.se vuelve 19suficientemente fuerte para .a~raer una armadura que dispara los
.coritactos.del in terrup tor. 'i'" '.'
.
. El .inrerruptor automatico de circuito se
puede restablecer manualmente mediante una
.sln ta bimetalica,
,I,.'
-
:.:>~,.,. ··:-i!.:~};:,-
",
rnanija despues.de que lasobrecarga ha pasado. (Serequiere .un per iodo corto para que se
enfrie la cinta birnetalica, en el caso de un interruptor del.tipo-termico.) En algunos casos,
un.interruptor.automatico
de circuito' puede
hacer Ias.veces de interruptor manual de des.conexion. Los .requerimientos del c6digo indican cuando se perrnite esto. Los interru ptores
de circuito se fabrican tanto en arreglos de un
solo polo como multipolares.v segun se necesiten.:
Avpesar de que un interruptor autornatico
de circuito es mas conveniente que un.fusible,
aquel se ve sometido a maltrato, desgaste y suciedad pOl' 10 que requiere inspeccion y posi- .
Obje rivo's I 389
Figura
IflJi3rru.Ptpr~
.de "circ:tJiJos. (EATON
15.14.
Corp., Cui/~r~H~mf!1e/fiC?d,ucm.), ,, .., :~
ble mantenimiento.
Resulta asimismo TI}<lS
costoso que un fusible. De iguaJ manera, para
servicio pesado, los fusibles presentan ciertas
caracter isticas que perrniten interrurripir el exceso de eorriente, y los hacen super iores a los
interruptores
autornaticos de circuitos. Esto
constituye un terna especializado que no es necesario examinar aqu i con mayor detalle.
'
Los sistemas manuales de desconexio n y los
fusibles 0 los interruptores autornaticos de 'circui tos, se instalan por 10general en las lirreas
principales de servicio y en cada circuito derivado, de manera que cada parte delvsisterna
quede protegido de 10que suceda en la seccion
siguiente en 'direccion de la Fuente de ener gia;
Como ya se ha indicado, el equipo de descoriexion y los fusibles' se instalan amenudojuritos:
en unasola unidad. E}. interrupter protector
de circuito puede asimismo servir comouri dispositive manual cornbinado de desconex ion y •
proteccion contra .las sobrecargas de cor r ieriteo Los!'disposilivos principales y secundar ios:
se'disponenymontarr'a
menudo, par converiien-'
cia.juntos ~I1 tablerosde distribution opa'nales
de, control. En la figura 15.15 se presenja- un
arreglo tipicode serviciopara una residerrcia.
"~I,
; •. .1
"
"- P~oteccion par uii _fUSible principal a
interrupter termornaqnetico
por
un: ,:
....
_:1..':',
"
;-
.,,-'
,-',
. ':'T:: .:
Neutro
Protecclori par fusibles en 'IQs tamales
lnterruplcr term9m~gn_~t!co,
Procedenle,dela , _,"_': '
co~paAta 'de" " .. ~~;. ,
0
par
., _
,
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e lectrlcidad (11011/60)'',1'"
.
I
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0---1----..,.-+----- ; }
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Tablero y caja _
-.
, _,;--4- Circultoasecundarlos 0'
rarnales (110 V)
}
-,
Conexiones a tierra del sistema,
cuando se requieren,
Figura 15.15, Arreqlo de' un circuito de protecclon
para servicio residenciaL _
~. :
3W I Sistemas de servicio electrico
l\[OTORES
15.11 Tipos de motores
Los motores de corr iente.alterna se clasifican
como mon ofasicos 0 polifasicos (de fase multiple) y como herrneticos 0 no herrneticos,
Los motores monofasicos se construyen para utilizar una [uente de corriente rnonofasica. Lamayor parte de 16smotores polifasicos
son del tipo trifasico, diseiiados para, utilizar
corriente trifasica. Los motores moriofasicosse
fabrican desde tamafios muy p(:!qllefios:d~'.~aballaje fraecionario(alrededor de 0.01 hp) ha,sta pequeiios tamafios integrates. Los motores
trifasicos estan disponibles desde 114hphasta
cientos de caballos de fuerza, y aiin mas para
aplicaciories .especiales.
.' .• v « .
Los cornpresores de refrigeracicn y la mayor parte-de Ios dern as eqllipos.~~?c,!ad\9.~(<:0'
rno bornbas-y ventiladot;'~s)'son- rnovidos por
motores de
Losmotores de cd, se usan ocasionalmenteen.lugaresapartados
donde ~e:.dispone solamente de corrien te directa. L~ principal
aplicacion de los motores de corriente directa
tiene lugar en'los dispositivos de control de operacion, en donde se utilizan pequefiostipos es-.
peciales,
Los motores se pueden asimismo clasificar de
acuerdo con sus cubiertas. Los motores no her-:
meticos utilizados en refrigeracion sonporlogeneral del tipo abierto, Existen aberturas en la
armadura que envuelve al motor, a fin de perrnitir la circulacion del aire y el enfriamento de
los embobinados del motor. En circustaneias especiales es po sible que se neeesiten otros tipos.
El motor a prueba de goteo tiene una cubierta que
10 protege de la lluvia. El motor totalmente cerrado con ueniilacion exterior (TCCV) se utiliza
en aqueUos lugares donde la atmosfera esta
muy llena de polvo y sueiedad. En los lugares
donde estan presentes gases explosives, que
se pudieran inflamar por una chispa del rnotor, se requieren motores a prueba de explo-
ca.
Han.
Construccion del motor. EI tipo de motor que se
utiliza generalmente para ~ov<:!r~1equipo de
refrigeracion
conO<e
motords induecion. En 1a figti~aJ!?lq se '¥ll#~tra un motor
de induccion no hermetico, Elmo tor tiene dos
partes funcioriales princ~pales, uri estator y un
rotor. El estatornose mueve y forma parte de
la envoltura'delmotor. EI estator consta de los
pol os
Estos son electromagnetos,
alarnbrede cobre aislado devanado alrededor
debarras d~hr~;roj.:fi-b~oi
~s\iri:~ili'ndro rotativo d~hi~i-rb en:~i~(!Kt~6d~id~t~ior.
Tiene
una capa,:cle?bdti~~::;d¥'·'¢8bi~·.?~i~4~~:or
de su
circunferericia. 'L:¥~)l~dhl'd~(Tbo~Or
:~sta fijado' al rotor_La"eor;~xi"(;h;:aI'ej~',d(i
presor
s.e
como
de "~~ilip;6':
cOm
~~1~~t!~~trlt'li
.lias
ri16tofe's;'li~bn~titOsti~rie'n solarnente :
~':?....':,,-: ..:;.:.:,! '-~"~'" . -,..":i::·;.o;.-",,~·"P-:" ..... . ..... ';.'.
un estatory un iotC)'t·. EI eje del compre~or es
el eje del motor. La envoltura herrnetica del
compresor sirve tanto para.el motor como parc{~l cornpresor. En el capftulo 5 'se halla una
discusion adicional-de'los mbfdres hermeticos.
,
_
"'1
.J5.12 Caracteristicas de los'
motQres
Los motores ko herrneticos que se u tilizan: en'
la mayor parte de fas aplicaciones industriales ,
se conocen como motores
'iLS() general;, y tienen caracteristicas que son normas en la industria de los motores. En Estados Unidos estas
normas son' e~tableddas por 1aNational Electric
Maiiujacturer's Association (Asociacion nacional
de fabricantes de rnotores electricos). Dichas
normas incluyen las especificaciones de construccion y funcionamiento, el aumento perrnisible de la temperatura,
los faetores de
sobrecarga y los valores norninales de potencia. Dichos estandares se pueden hallar en las
publicaciones de la eitada asociaci6n. En este
apartado, enseguida se describen algunas de
las caracterfsticas de los motores.
de
MotQres
I 391
Rotor .»<"
Figura 15.1.6., Componentes basicos de un motor
de inducci6n de corriente alterna., .
.. :
.
}
:.
Corriente. Los motores monofasicos se construyen' pot '10 corrnin para 'ser' u tilizados con corriente de 115 V 0 230 V. Este se conoce como
vnltaje de la-placa del fabricante, voltaje de utilizacion, 0 voltaje nominal. Los voltajes tipicos
de los motores trifasicos son 200 V, 230 V Y460
V. Es posible conseguir motorespara mas altos
voltajes, ,pero solo se usan ocasionalrnente,
cornoen.el' caso queserequiera mover uncornpresor centrffugo de!gtandes dimensiones. Par
lo,'general,i los 'motores operan satisfactoriamente dentro de ,± 10 par ciento del valor
nominal' del' voltaje.
Cuandose. ·tierra el circuito de un motor,
mornentaneamente hay una resistencia muy
baja en 16s'embobinadosdel motor. La corriente resultante es aproximadamente de cuatro 'a
cinco veces mayor qh~ la corrierite normal de
operacion a plena, carga, a menos que se u tiliee equipo especial de arranque, Esta ccrr iente inicial se llama corriente de arranque, de
entrada 0 de rotor bloqueado. La placa de marca
del motor indica par 10 corrnin los amperesnominales del rotor bloqueado y los amperes
nominales a plena carga. p'or 10 general, la corriente de arranque no es perjudicial, debido
a que dura muy poco si el motor alcanza can
rapidez su velocidad.
Velocidad. Cuando se utiliza corriente de 60
Hz, la velocidad sincrona de los motores de in-
duccion .de dos polos es de 3600 rpm. La velocidad real es aproximadamente de 3450 a 3500
rpm. Los motores de cuatro polos tienen 'una
velocidad de 1725 a 1759 rpm (velocidad sincrona de 1800 rpm).
.....
:',
:.,1'
Par de torsion. El.par de torsion. de un motor es su capacidad de torsiorio giro. EI pa,r
de, arranque, llamado .tarnbien .par: inicial- de
arranque, es la fuerza ..necesaria para poner-.en
movirniento el dispositive que se quiereoperar. EI par de torsion .en operacionc plena.ca_rga
es la fuerza necesaria para mantener girando
e) dispositive a plena velocidad de carga, EJ par
de arranque requerido para los, compresores
de refrigeracion puede a vecesser muyalto,
si-el com presor arranca sometido ,a,carga. La
corriente de arranque 0 de entrada es asimisrno muy alta, debido a .que existe poca resisten cia electrica en el, arranque.
.., " ,
""
'
Potencia y factor servicio. La potencia nominal
a plena carga de un motor esta basada en la
temperatura aceptable de los embobinados del
motor y del aislamiento. Un: aumento de P?:
tencia eleva las perdidas de linea en los ernbobinados, 10 que aumenta-el calor generado. Sin
embargo, los motores estan diseiiados para reo
sistir una sobrecarga. Esto se llama elJactorde
seroicio; dicho. [actor depende de, la .tempe[atura ambiente y se especifica a 400G (104°F).
392 I Sistemas de servicio electrico
Por ejemplo, si latemperatura arnbiente es de
40oC, un motor de 10 hp que tiene un factor de servicio nominal de 1.15 puede entregar 11.15 hp sin sobrecalentamiento. Es obvio
que en temperaturas arnbientales mas elevadas, la potencia admisible. 'sera menor.· Los
factores de servicio se indican en la placa del
motor.
.
15.13 Principios de operacion
Resulta conveniente realizar un breve repaso
de la manera como funeiona un motor de ca.
Para discutir ]05 diferentes tip as de motores
monofasicos, esta explicacion evitara tratar algunos aspectos teoricos que no son necesarios
para los fines que se persiguen.
Un motor electrico es un aparato que convierte la energfa electrica en eriergia mecanica. Se construye de manera tal que la energia
mecanica se produzca en forma de rotacion.
Esta conversion de energia se efectuamediante electromagnetismo. Cua:ndo la : corriente
·elestrica fluye a traves del devanado de alamo
·breque rodea a 1.Inmicleo 'de hierro, el dispositivo se convierte en lun electroiman: Enel
espacio que Todea al iman, -se 'desarrolla un
campo magnetico, Este campo ejerceuna fuer·zj/'qbe aetna sabre -otro irnan si este esta pre·
serite.' Los electrcirnanes tienen .polaridades
.'opuestas errsusdos ex trern o 5, llamadosnorte
(N)" y sur (S).'Las polaridades semejantes ejercen una fuerza de repulsion; y Iaspolaridades
opuestas una' de atraccion. La polaridad del
electroirnan carnbiacon.la polaridad de Ia £O~
rriente. Con una disposicion fisica apropiada,
las fuerzas actuaran en una direccion que produzca la rotacion de uno de los electroimanes,
obteniendose as! el' resultado deseado.
La-figura ] 5.17 rnuestra los elementos esenciales de un motor monofasico simplificado
que se utilizaran para explicar ,et funcionamiento de este. (Un motor monofasico tiene
en ·tealidad elementosadicionales esenciales,
par razones que resultaran eviderites durante
l,f discusion.)
POlOS DELESTATOR .
liNEA ( ____________________________
.
_J
Figura 15.17. Arreglo esquernatico de las partes
funcionales de un motor monofasico de inducci6n
(no se produce fuerza alguna de rotacion cuando
los polos rnaqneticos del rotor y el estator se hallari
en la posicion Indicada).
"
I.
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>\!.
','
':.
;....
,I'•.
El estator- consta de dos micleos de .hierro
estacionarios, separados, .envueltos en un solo
devan~do de alarnbre aislado. .Las dos partes
del. ~stat?r se Ilaman polos de campo, y el. devanado se llama embobinado de campo. Cuando la corriente fluye a traves de la bobina, se
produce, un electroirnan. Uno de los polos tendra polaridad N y el otropolo tendra-polaridad S·.·Esta.polaridadcambia, periodicarnente
segun.se .invierta la direcci6n° de' Ia; corrierite
alterna..
",._- " ,'.
'. -'f':,
.':j"
El campo magnetico desarrolladoen.el.estator por la corriente aiterna, "corta'lcontinuamente las· barras de: cobre del. rotor
induciendo una cor:rie~te en las misrnas (las,ba~
rras del rotor-se cornportan como una.bobina
de alambte). El rotor. se convierte.en un electroirnan consu propio.campomagnetico ..Con
esta disposicion, cuando. el rotor esta inmovil,
la fuerza magnetica desarrollada .acnia directamente a traves del eje del motor; no. existe
carga alguna de torsi6n. Sin embargo, si el rotor esta girando, Ia corriente inducida se retrasa con respecto a la corriente del .estator. En
este caso, la direccion de la resultante de los
dos campos magneticos produce una fuerza de
rotacion (figura 15.18), y el motor sigue giran·
do. La direccion de Ia fuerza continua moviendose en forma circular; esto, es, se dice que el
campo magneticogira.
Motores I 393
Figura 15.18.' Fuerza de rotacion en un motor monofasico producida per las fuerzas rnaqneticas que
se originan entre el rotor y el estator.
Par consiguiente, el problema que se presenta can unmotonnonofasico
es el del arranque. En las siguientes secciones se examinaran
los metodos de arranque.
.', ".,
'. EI tipohasico de,motor que se acabade describir.se llama: motor de inducci6n; dicho nombre se deriva.del hecho de que la corriente es
inducida.enelrotorvEste esel tipo de motor
de ca que se.examinara en sus diversas form as.
~, Laveloeidad a la que gira el campo magneticoen uri-rnotor-se llama' v.elocidad sincrona.
ELc-atpp_9,~~grle~ico gira a ia'~jsma veJ.Q~.i·
dad: que el, cambio. ciclico de la .corriente. :flpr
consiguiente.vpara una corrienre de, 60J cidos
·.f"'; ,
.j ~~.
"
• ~i
por segundo, en' el caso de un motor de dos
poles, la velocidad sincrona es de 3600 rpm;
Tambien se fabrican motores con cuatro 0 mas
polos en el estator (figura 15.19). En el caso de
un .:motor de cuatro pol os, los embobinados esc
tan dispuestos de, tal manera que por cada
cielo complete de la corriente, el campo magnetico gira solo media vuelta. La velocidadsincrena, entonces, es de 1800 rpm. La velocidad
real de rotor en un -motor de induccio n es
ligeramente menor.que lavelocidad sincr ona,
debido al retraso causado pOl"Ia carga. Est.a.di-'
ferencia develocidad se llama deslizamierito,
15.14 Motores monofasicos .
~. . ..
Existen varios tipos de' rnotores moriofasi cos
que se diferencian prirrcipalmente en cu arito
.aVmodo de arranque. Varian asimismo en
cuanto a par de arranque, eficiencia y casto.
El usuario seleccionael tipo mas adecuado para la aplicacion. Por 10 general, rnientras mas
altos sean el par de arranque y la eficiencia,
mas elevado.serael coste. :::; '/\,,;-'
<:'"
Entre los motores monofasicos que se discutiran aqui se encuentran.los tipos de:fase diuidi:
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c'UAtAo
MOTOR DE
paLOS,
LA VELOCIDAD. DE SINCRONiA
ES DE 1800 RPM A 60 Hz,
c.
MOTOR DE DOS POlOS.
LA VELOCIDAD DE
'-_SINCRONiAES DE
3600 RPM A 60 Hz
..
,: ,.,,'
,. ;~. ",;.'
.••• v v :
Figura 1'5.19; Arreqlos del embobinadode un motor
monotasico. a) Motor de cuatro polos.Ia velocidad
sincrona es de 1800 rpm a ,60 Hz. b} Motor de'rfos
palos, la velocidad sincrona es de 3600 rprn.a 60 Hz.
394 I Sistemas de servicio electrico
da.fase dioidida y capacitor permanente, arran que
por capaci tor, arranque por capacitor y trabajo
por. capacitor (CSR) y polo sombreado. Estos
nombres se utilizan con ligeras variaciones. EI
tipo de arranque por repulsion, no se discutid. ya que se usa raras veces hoy en dia. '
Todos los motores moriofasicos tienen dos
juegos separados de embobinados de campo
enrollados fisicarnente alrededor del rotor.
Uno se llama embobinado de arranque 0 auxiliar, y el otro, embobinado de trabajo principal.
El motor se construye de tal rnanera que las
eorrientes de los ernbobinados esten fuera de
fase entre si, El resultado de este desplazamiento de la corriente, es que la fuerza magnetica
desarrollada actua en una direccion que crea
un.par de torsion, y el rotor em pieza a giraL
En un sentido, se produce ternporalmente una
corriente de dos fases. La diferencia entre.Ios
varios tipos de motores rnonofasicos estriba
principal mente en la manera como se obtiene
la. diferencia entre los angulos de fase, "
°
15.15 Motor de fase dividida. , .:
El circuito electrico de este tipo de motor monofasico se muestra en la figura 15.20'
EI estator tiene dos ernbobinados conectados en paralelo, EI embobinado de arrp.nque
..•.
constade muchas vueltas de alambre muy fino. Este le confiere una elevada resistencia y,
por consiguiente, un alto factor de paten cia. EI
ernbobinado de trabajo tiene menos vueltas de
un alambre mas grueso; por 10 tanto, tiene baja
resistencia yalta inductancia. Las dos corr ien.
tes estrin fuera de fase. El resultado de esto y
de Ia posicion de los ernbobinados, es queIa
direccion de la fuerza rnagnetica proporciona.
rei un par de arranque.
Debido a su alta resistencia, el embobinado
de arranque se sobrecalentarfa si se dejara demasiado tiempo en el circuito: Para evitarlo, dicho devanado se desconecta autornaticamente
cuando el motor alcanza alrededor del 75% de
su velocidad de trabajo. Para lograrlo anterior
se utiliza ya sea un interrupter centrifugo, 0' un
relevador de' arranque. Un brazo mecan ico en' el
interrupter centrifugo .abre los coritactos. a
causa del aumento de la fuerza centrffugaamedidaque se acelera el motor. Este dispositive
rio.resulta conveniente.en los motores hermeticos, debido a que el arco-electricoque
tierie
lugar cuando se abren los 'con,tactos,' podr'ia
caiisar- una descornposicion quirnica del aceite o'del refrigerante. En el caso:de,l'os;rnotores
hermeticos, se utiliza un relevador situado exteriormente para desconectar el circuito del
embobinado de arran que. Estos.rele..vadores se
describiran
mas adelante. ...,"- ", .,' ",'.
,.
...
.
, Los motores de fase dividida:tieneriimbajo par de arranque y Urii eftci~ri'cia relativamente baja. Esto los ,h~~e'adecuados j>a*a
aplicaciones tales como'refriger'adores ,dome'sticos equipados con un tubo capilar. Ehequ'~'
,rimiento del par de arranqueesbajo,
puesto
que las presiones se equilibran mediante, uri capilar, en vista de que el consume. de energia
es bajo, es posible que resulte aceptable el inconveniente de la baja eficiencia,
:,,"
Interruptor centrifugo 0 de
relevador (0 lermistor)
dmbbbihcidO
de'
(m~'n~iue
.':' ...
--~
Embobi'8
nado de
Rotor
operacion
Figura 15.20. Circuito electrico de un motor de fase dividida, que utiliza un interruptor centrifugo en
el circuito de arranquet tarnbien es posible utilizar
un tsrmistor de estado solido).
. ..,
.-_:
,
"'''"
'''\
en
15.16 Los capacitores
los
motores monofasicos
El capacitor es unvdisposifivo que. almacena
energia electrica. En un circuito .de ca los ca-
....;
,'1
Motores I 395
almacenan y liberan alternativarnente ]a carga electrica. Su efecto es producir un
desplazarniento de fase entre la corriente y ':'
voltaje, de manera que la corriente se adelante al voltaje. En consecuencia, el factor de potencia aumenta.
La cantidad de carga electrica que es capaz
de almacenar un capacitor se llama capacitancia. Se mide en una unidad llamada faradic,
a en microfaradios (una millonesirna
de
faradic).
Cuando se instala un capacitor en serie con
el embobinado de arranque de un motor rnonofasico, se origina un desplazarnierito de fase entre los embobinados (la corriente en el
embobinado de arranque se adelantara a la corriente en el ernbobinado de trabajo). Esto causa el desplazamiento de la fuerza magnetica
que sf: requiere para proporcionar el par de
arranque para el motor, "
Un capacitor con una gran capacitancia da
par resultado un gran desplazarniento de fase,
uri par de arranque elevado y un valor elevado de la corriente a 'traves del embobinado. Un
valor bajo 'de la capacitancia dapor resultado
un desplazamiento de fase pequefio, L.Inpar de
arranquebajo y un bajo valor-de' corriente a
traves del devanado. EI factor de potencia y la
eficiencia
dd motor
rnejoran.
rnedida que
..
,
~.
aumenta la capacitaiicia. En las siguierites seccion:es-s"eestudiaran 'los diversos arreglos de los
capacitores en' los motoresmonofasicos. '
pacitores
a
, '
.:.'
•
I
~;
,
7 .' .•
'
15.-i7'Motor defase dividida
y capacitor
de arranq~e permanente
En la figura 15.21 se muestra el circuito correspondiente a este tipo de motor monofasico, El
arreglo de los embobinados de arranque y de
trabajo es similar al del motor de fase dividida, excepto que se ha anadido un capacitor en
serre con el embobinado de arranque.
El capacitor produce una diferencia en el
angulo de fase entre los dos ernbobinados, misrna que da' por resultado un par de arranque
para hacer ghar el rotor. En un motor de fase
Embobi-
nado de
Capacitor
arranque
Ernbobinado de
operacion
Figura 15.21. Circuito de un motor de fase dividida y capacitor permanente.
dividida
y capacitor de arranque permanente,
el capacitor y el embobinado de arranque.
.se dejan en el circuito despues del arran que.
En consecuencia el capacitor utilizado debe teo
ner una capacitanciaiTelativamerite~'pequena,
a fin de limitar Ia corriente en el.ernbobirrado
de arranque: deotro modo, podria ocurrtr' un
sobrecalentamiento. Esto lleva a que.el cambio
del angulo de fase sea' pequefio y, el par de
arranque bajo. Como el capacitor y elembobinado de arranque permanecen en el circu ito,
la eficiencia del' motor es mas alta que la del
motor de fase dividida. Esto es e1 -resultado
de una mejora en el factor de potencia y de
un par motor en-funcionamiento normal mas
uniforme. Laausencia de un interruptor.o uri '
relevador reduce el costo y los problemas de '
servicio asociados con estos dispositivos. Este
tipo de motor se puede utilizar en unidades
pequefias de aire acondicionado y comerciales, donde no se requiera un par de arranque
alto, pero se busca una buena eficiencia.
15.18 Motor de arranque por
, capacitor
EIi la figura 15.22 se muestra el. circuito electrico' del motor monofasico de arranque por
capacitor (CS), tam bien llamado motor' de
396 I Sistemas de servicio electrico
Interruptor
Capacitor de
arranque
Embobinadode
arranque
.lnterruptor
Capacitor de arranque
Capacitor de operacion
Embobinadode
arranque
~~~o~~G·
Embobi.G)
nado de .. AOI~r .. :.
opera..
."
cion
.
Aotor
.
operacion
' ..
-,
'.
Figura 15.22. Circuito de'un motor de arranque par
capacitor.
..
'.
Figura 15.23 .. Clrcuito de un motor de arranque;'1.operacion per capacitor. ,
,;
'
arranque p~r .capacitor ry operacion par Inducci6n .•
. Se utiliza 111) capacitor de aI:"ranque.con un
valor nominal alto, conectado en serie con el
ernbobinado de, arra,nque a fin de proporcionar un'par de arranqueelevado. Como esto daria par) resultado un sobrecalentarniento si se
le dejara ene1 circuito, se u tiliza uninterruptor orelevador cen trifugo par,a desconectar el
circuito de arranql,le cuando el motor alcanza
su .velocidad de operaciqn -, :.~' ,;
"i
. (Debidp al elevado valor norminal.delcapacitor, esta clase de motor tiene un alto par de
arrarique. Su factor; de potencia .y eficiencia
son mas bajos .que en el caso, de un motor de
fase, dividida y capacitor perrnanente. ,;; ,
.
~, .'
i
. .( ';
1~:'
', ..:.'
.
,15;19 Motor de arranque::y operacion
..'.:",'" por capacitor '; :
. :- I,,;'
;.::;',(',
Este motor es una combinaci6n de los tipos
de fase dividida y capacitor permanente y de
arranque por capacitor, por 10 que posee las
caracteristicas deseables de-ambos. En la figura 15.23 se muestra el diagrama del circuito de
conexi6n del motor.
_·'.En.~l circuito del ernbobinado dearranque,
secolocan un capacitor de alto valor nominal
y un interruptor 0 relevador. EI capacitor se
...,.
desconecta .cuando el motor alcanza su velocidad de operacion, Otro capacitoT;.~:le~per~cf6~
se instala en paralelo. con el capacitorde arranque, y permanece en el circuito. De e~te modo
se obtiene un par de arranqu~ alto, un factor
de potencia elevado.y una buena eficiencia del
motor. Resulta obvio.que ~1 costo.de l.V~
tor de este tipo, sera' m,~q .altoque el de otros
motores provistos de dispositivos mas.sencillos,
,~p:
"
I
:.
s
d·,
'- ;';~~)_-,
:', .: .:
.~,:
-.
-.\.
El.relevadorelectrico es un dispositive en el,ql+(!
la apertura o cierre '(0 ~u~Jci~ier otra a~ci6n}'~e
un circu,it~, ~.~'utipza para a,9~{i:o)<;e~r~I;{s~.ir;
trolar) otro circuito. Esto es, un relevador, es
una fo~a
interrupter autom~tic~. Hay'rh~'chas maneras deconstruir unrelevador. En.la
figura
'se I11~estr~';~11~.~~egip.•Este 'tip~
es un relevador magnetico. Mas adelante se
descr iben otros tipos.
.' ....
, i.
El relevador consta de una bobina , mag·
neticay.un brazo de contacto. Los contactos
pueden estar normalmente
abiertos {NO) ..o
normalmente
cerrados (NC). En el ejemplo
ilustrado, los contactos estan en, la posicion
NO. La posici6n norrnal.es aquella condici6n .
en lacual no fluye corriente alguna por la be- .....
bina, Los contactos son rnantenidos en esta'-pq: :,
sici6n mediante un resorte 0 PO! el peso 4ei ':;>
de
15~24
r. -;'
.-.;
\' ,>:
....,.
':', _:.":.:"::
"",,::~ ,::;;1
Motores I 397
Resorte
Sabina
magnetica
Relevador de arranque
potencial
Capacitor de operacion
Circuito
controlado
l
Embobinado de arranque
~i~:uito
control
1-"""""""'.......
_-..;.,..
Embobfnado de
opera"
cion
Figura 15.24. Relevador rnaqnetico (Ia construecion ffsiea difiere constderabtemente entrelos relevadores).
mecanisme. Cuandose.energiza la bobina, se
produce, un campo defuerza electrornagnetica. Dicho campo jala la.arrnadura can el fin
de cerrar los contactos, Esta acci6n cornpleta
el circuito que se desea controlar.
.,'
Los relevadores utilizados en el circuito de
arranque delosmotores monofasicos (con un idades herrneticas), se Haman relevadores de
arranque. Se. u tilizan dos tipas: de, relevadores
de arranqpe, el relevaciorpotenciq,l y el relevadOT de corriente. La bobina del relevador de
potencial ,~s,taconectada en paralelo coonel embobinado dearranque (deun motor de arranque ,y trabajo p()r capacitor) (figura 15.25). Los
contactos .del relevador, en.serie con el capa·
citor de arranque, estan. normalmente cerrados (NC)~A medida que el motor se aproxirna
a su velocidad de operation, el voltaje a'traves
del devanado de arranque aumenta hasta un
valor que energiza al relevador y se abren los
can tactos, eliminando del circuito al capacitor
de arranque_
La bob ina del relevador de corriente esta
conectada en serie con el embobinado de operacion (figura 15.26). Los contactos estrin normalmente abiertos (NO). Cuando arranca el
motor, la corriente de arranque es muy alta,
haciendo que la bobina se energice y se cierren
los contactos del relevador. A medida que e1
Figura 15.25. Helevadorde arranquedeltipo
'potencial, utilizado con un molor monofaslco herrnatlco (del tipo de arranque y operaclon per capacitor).
"., ~ i .
motor se acerca a su'velocidad de oper acion,
disminuye la corriente y la bob ina se deseriergiza. Los contactos se abten,y,se'desconecta'el
ernbobinado de arranque. Esta disposiuiorr'es
adecuada para un motor-de fase dividida o'para uno 'de arran que y trabajo por 'capacttor,
Para el arranque' de los motores morrofasicos, es posible utilizar un releoador termito,-en
E,m.bobinadode. arranque
Belevador de arranque
por corriente
Embobinado de
operacion. '
Figura'15.26. Relevador de arranque del tip a de
corriente, utilizado con un motor rnonofaslco hermatico (de .fase dlvidida).
..
398 I Sistemas de servicio electrico
(.
t' ..
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j"
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!'
lugar de uno. electromagnetico. A medida que
se aplica corriente al motor, un elemento termica bimetalico instalado en la linea se calientao Cuando el motor aJcanza su velocidad de
o peraciorr, el elemento terrnico se rnueve como resultado del calentarniento, abriendo u n
juego de contactos en el ernbobinado de
arranque.'
Adernas de los relevadores del tipo de interruptor electromagnetico, se puede utilizarun
dispositivo de estado solido para el arranque.
Se instala un termistor de
