Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Unidad FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO 1 Conceptos Básicos de Termodinámica MÓDULO Máquinas y Equipos Frigoríficos Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS Dirección: Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Javier Cueli Llera Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Laura Fernández Menéndez Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 84-690-1471-4 Depósito Legal: AS-0591-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Sumario general Objetivos ...................................................................................................... 4 Conocimientos .............................................................................................. 5 Introducción.................................................................................................. 6 Contenidos generales..................................................................................... 6 Conceptos generales de termodinámica ......................................................... 7 Intercambio de calor...................................................................................... 25 Cambios de estado en la materia.................................................................... 31 Resumen de contenidos ................................................................................. 44 Autoevaluación ............................................................................................. 46 Respuestas de actividades .............................................................................. 48 Respuestas de autoevaluación........................................................................ 52 3 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Objetivos Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de: Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Diferenciar entre presión absoluta, presión relativa y presión diferencial. 4 Analizar los distintos sistemas que se emplean para medir la temperatura. Comparar las distintas formas de transmisión de calor. Relacionar y manejar las distintas unidades de medida empleadas en los sistemas de transmisión de calor. Distinguir entre calor latente, calor sensible y específico. Realizar un cálculo sencillo sobre la cantidad de calor que se debe aportar o extra- er en un cuerpo para modificar su temperatura y/o realizar un cambio de estado. Describir la influencia de la presión en la evaporación de un gas. Interpretar el diagrama de saturación o vaporización de distintas sustancias. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Conocimientos que deberías adquirir aCONCEPTOSS • Conceptos generales: calor, frío, temperatura, presión, etc. • Intercambio de calor: convección, conducción y radiación. • Escalas de temperatura. • Cambios de estado: calor sensible y calor latente. Calor específico. PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS • Resolución de problemas sencillos sobre cambios de unidades. • Cálculo de las cantidades de calor necesarias para realizar cambios de estado y/o variaciones de temperatura. 5 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Introducción Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor La técnica frigorífica está basada en ciertas propiedades físicas que debemos conocer. ∂Por qué no utilizamos agua para obtener temperaturas de -18 °C? ∂Cómo es posible modificar la temperatura de ebullición de una sustancia? 6 Para el estudio de la refrigeración y climatización, es importante conocer algunos principios fundamentales de la física y la termodinámica, que veremos a lo largo de esta unidad. Date cuenta de que por ejemplo, para reparar una avería, instalar un componente en una máquina o interpretar un catálogo tendrás que medir y/o interpretar una serie de parámetros, como la temperatura, la presión, º así como conocer en qué unidades puede expresarse. Asimismo necesitarás saber cómo se transfiere el calor, ya que tu trabajo está relacionado con hacer funcionar correctamente los aparatos que modifican la temperatura del ambiente. Contenidos generales A lo largo de esta unidad aprenderás algunos de los conceptos termodinámicos necesarios para comprender diversos aspectos de tu futuro trabajo, cómo se transfiere el calor, y cómo calcular ese calor que es necesario transferir. Hemos incluido, para que veas un sentido práctico de la unidad, distintos procedimientos para medir temperatura. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Conceptos generales de termodinámica En este capítulo nos vamos a centrar en describir las nociones básicas termodinámicas necesarias para poder comprender en las próximas unidades, el funcionamiento de los elementos del ciclo frigorífico. También haremos hincapié en la importancia de las unidades de medida. Para los que ya están familiarizados con estos conceptos, les servirá como repaso o material de referencia. Presión La presión es una magnitud física que se define como la fuerza por unidad de superficie. P (Pa) = F (N) S (m2 ) (las unidades corresponden al Sistema Internacional) El concepto de presión se aplica tanto a sólidos como a líquidos y gases. Ten en cuenta que en cada uno de estos estados la presión se ejerce de forma diferente debido a que son distintas las superficies de contacto entre los materiales y sus contenedores o sus puntos de apoyo. Observa la figura 1. En ella se representa cómo un bloque de hielo ejerce la presión sobre su base, el agua líquida sobre las paredes del recipiente que la contiene y el vapor en todas las superficies de su contenedor. Fig. 1. Presión del agua en estado sólido, líquido y vapor. Bloque de hielo Agua Vapor Fig. 1: Dirección de la presión ejercida por sólidos, líquidos y gases. 7 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos ∂Conoces cuáles son las unidades más utilizadas para medir presiones? Fíjate en la siguiente tabla. En ella se recogen las empleadas con más frecuencia, así como sus equivalencias. Con esta información podrás hacer conversiones de unidades entre distintos sistemas de medida. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor SISTEMA INTERNACIO NTERNACIONAL 8 SISTEMA ISTEMA ANGLOSA NGLOSAJ‡N OTROS SISTEMAS Pas Pascal bar psi kgf/cm2 atm mm H2O mm Hg 1 Pa (N/m2) 1 10-5 0,000145 1,02⋅10-5 9,87⋅10-6 0,102 0,0075 1 bar 2 (daN/cm ) 1 psi 105 1 14,5 1,02 0,987 10.200 750 6.890 0,0689 1 0,0703 0,068 703 51,7 1 kgf/cm2 98.100 0,981 14,2 1 0,968 10.000 736 1 atm 101.325 1,01 14,7 1,03 1 10.300 760 1 0,0736 13,6 1 -5 1 mm H2O 0,102 10.200 0,00142 0,0001 9,68⋅10 1 mm Hg 133 0,00133 0,0193 0,0136 0,00132 Tabla 1: Equivalencias entre unidades de presión. Tal vez no recuerdes cómo se utilizan los factores de conversión de unidades. Aquí tienes un ejemplo. Imagina que estás trabajando con un aparato de medida inglés y éste indica una presión de 40 psi. Es posible que te resulte mucho más familiar la presión expresada en bares. Para realizar la conversión utilizamos las equivalencias recogidas en la tabla anterior. Observa que 0,0001450 psi equivalen a 10-5 bar. Aplicando pues el correspondiente factor de conversión, obtenemos el resultado buscado. 40 psi⋅ 10 −5 bar = 2,75 bar 0,0001450 psi Y si ahora queremos conocer el valor en Pascales, ∂cómo lo calculamos? 40 psi⋅ 1 Pa =275.790 Pa 0,0001450 psi Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica o Presión atmosférica, absoluta y relativa Cuando hablamos de presión, manejamos diferentes términos: presión atmosférica, presión absoluta, presión relativa, presión diferencial... Veamos lo que significa cada uno de ellos. El concepto de presión atmosférica surge debido a la presión que ejerce la atmósfera sobre la tierra. Se define como el peso de una columna de aire de sección 1 cm2 y que se extiende desde la superficie de la tierra a nivel del mar hasta los límites superiores de la atmósfera. Su valor es de aproximadamente 101.325 Pascales. Para medir la presión atmosférica de forma experimental, se utiliza el baróme barómetro. Las unidades habituales de medida de presión atmosférica en otros sistemas son: Atmósfera (atm). Milímetros de mercurio (mm Hg). La presión absoluta es la que se mide tomando como origen, es decir, como cero de presión, la correspondiente al vacío absoluto. En la escala de presión absoluta la presión atmosférica tiene un valor de 1,013 bar, o lo que es lo mismo 101.325 Pascales. En la figura 2 se representa de forma gráfica el fundamento del funcionamiento de un sensor de presión durante la medida de presiones absolutas. Fig.2: Medida de la presión absoluta. La presión relativa o normal mide la presión tomando como origen (como cero de la escala) la presión atmosférica a nivel del mar. En la figura 3 se representa el funcionamiento de un sensor de presión durante la medida de presiones relativas. Compárala con la figura anterior. 9 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Fig. 3: Medida de la presión relativa. 10 La relación entre los tres tipos de presiones es la siguiente: P absoluta = P atmosférica + P rela relativa Para medir la presión relativa de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados se utiliza el manómetro. manómetro Los manómetros indican pues la diferencia entre la presión absoluta en un sistema y la presión atmosférica que actúa en el exterior del equipo de medida. En la figura 4, puedes observar un manómetro convencional (4a), y un manómetro de frigorista (4b). Este último incorpora varias escalas de presión, habitualmente en psi y bar, también una escala de temperatura, muy útil cuando se está trabajando con refrigerantes, que permite conocer la temperatura de evaporación o de condensación según la presión que indique y el refrigerante que se este empleando. Fig. 4a. Manómetro convencional. Fig. 4b. Manómetro de frigorista. REFRIGERANTES PRESI‡N Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Otros términos muy utilizados cuando hablamos de presiones son presión manométrica y presión de vacío. • Presión manométrica: se aplica cuando la presión del sistema es mayor que la presión local atmosférica. P manométrica (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) > 0 • Presión de vacío: se utiliza cuando la presión atmosférica es mayor que la del sistema. 1 ctividad P de vacío (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) < 0 a El manómetro de la figura 4b no se encuentra conectado a ningún circuito, como puedes ver. Sin embargo, si te fijas, la aguja no está en el inicio de la escala. ∂Cómo explicas esto? Otro parámetro muy utilizado es la presión diferencial o dife diferencia de presión ∆P, que mide la diferencia de presión entre dos puntos de una instalación. ∆P = P1 - P2 En ocasiones es muy útil conocer esta diferencia. Aquí tienes un ejemplo: cuando en un filtro medimos la diferencia de presión y obtenemos un valor alto, quiere decir que el filtro está ocluido o saturado. En la figura 5 se representa gráficamente el fundamento de la medida de la presión diferencial. Fig. 5: Medida de la presión diferencial. 11 2 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor a 12 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Imagina que dispones de un manómetro conectado a un sistema de refrigeración y que marca 0,5 bar. ∂A qué tipo de presión corresponde esta medida? ∂Cuál es la presión absoluta a la que se encuentra sometido el sistema? Energía La energía es la fuerza vital de la naturaleza, está presente en todos los procesos químicos, físicos, estructurales, etc., que se dan en nuestro entorno y que permiten el desarrollo de nuestras actividades en las diferentes áreas de trabajo. También se define, como la capacidad o aptitud para realizar un trabajo. trabajo Todos los cuerpos, por el solo hecho de estar formados de materia, contienen energía. Además, la pueden poseer adicionalmente debido a su movimiento, composición química, posición, temperatura y a algunas otras propiedades. Así se habla de energía cinética, química, potencial, térmica, mecánica, eléctricaº Fig. 6: Formas de energía. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica En la refrigeración se deben tener en cuenta 3 formas comunes y relacionadas de energía: Eléctrica. Fluye hasta un motor eléctrico y lo hace funcionar. Mecánica. El motor eléctrico transforma la energía eléctrica en mecánica y pone en movimiento un compresor. Térmica. Suele producirse habitualmente por una combinación de ambas energías. El compresor comprime el vapor a una presión y temperatura altas, y transforma la energía mecánica en térmica. En la siguiente tabla se recogen las unidades de energía más utilizadas y sus equivalencias. SISTEMA MÉTRICO CONVENCIO ONVENCIONAL SISTEMA INTERNACIO NTERNACIONAL NAL SISTEMA ANGLOSA NGLOSAJ‡N SISTEMA TÉCNI ÉCNICO 1 PiePie-libra fuerrza (ft⋅ fue (ft⋅lbf) 0,7376 9,48⋅10-4 Calo Caloría (cal) 0,24 0,427 4,186 3,087 0,004 1 1 107,51 1.054 778 1 252 252 kfg⋅ kfg⋅m Julio (J) = N⋅ N⋅m 0,102 Btu Frigo Frigoría 0,24 Tabla 2: Unidades más importantes de energía. Otra unidad muy utilizada en refrigeración es la frigoría. La frigoría es una unidad del sistema técnico para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una caloría negativa. Se usa en sistemas frigoríficos y aire acondicionado. También se utiliza la frigo frigoría/hora que sirve para expresar la potencia de un sistema de refrigeración. ∂Sabías que los seres vivos, como el ser humano, necesitan energía para poder sobrevivir? Nos alimentamos para obtener la energía que nos permita desarrollar las funciones vitales. Por eso hablamos de las calorías que tiene la comida, se refiere a la cantidad de energía que nos aporta. Una mujer de tipo medio precisa 1.800 calorías al día y un hombre 2.100. 13 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Potencia La potencia se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo. EEEE P (w) = (J) (las unidades corresponden al Sistema Internacional) t (s) 14 SISTEMA MÉTRI ÉTRICO CONVENCIO ONVENCIONAL SISTEMA INTERNACIO NTERNACIONAL kfg⋅ kfg⋅m/s kilovatio (kw) = kJ/s J/s = N⋅m/s PiePie-libra fuer fuerza por segundo (ft⋅ (ft⋅lbf/s) Caballo fuerrza (HP) fue Caballo de va vapor (CV) (CV) 102 1 737,6 1,340 1,360 76,07 0,746 550,2 1 1,013 74,868 0,735 541,4 0,986 1 SISTEMA ANGLOSA NGLOSAJ‡N SISTEMA TÉCNI ÉCNICO Tabla 3: Unidades más importantes de potencia. Observa que la unidad recogida en la tabla 3 para el SI es el kilovatio, ya que, como suele haber valores grandes de potencia, el vatio se queda pequeño y es más cómodo utilizar este múltiplo suyo. Seguro que cuando hablas de un coche haces referencia a cuántos caballos tiene. Te estás refiriendo a su potencia, son caballos de vapor. 3 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Las unidades de medida de potencia más utilizadas y sus equivalencias son las siguientes: a Un aparato comercial de aire acondicionado doméstico posee una capacidad de enfriamiento de 2.500 kilofrigorías/hora. ∂De cuánta potencia estamos hablando en kilovatios? Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Calor y frío El calor calor se define como una forma de energía asociada al movimiento de las partículas que forman la materia. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura. Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibra. El calor siempre fluye de la sustancia más caliente a la más fría, puede ser generado por reacciones químicas, nuclearesº y transferido entre objetos por diferentes mecanismos. A todos los efectos las unidades de calor son las de energía. Las más utilizadas son la caloría y el Julio junto con sus múltiplos, la kilocaloría y el kilojulio. Vuelve a consultar la tabla 2 de esta unidad y comprueba cuáles son sus equivalencias. Otro de los términos utilizados en termodinámica es el de frío. El frío por definición no existe, simplemente es la ausencia de calor. Es la energía extraída en forma de calor de un sistema, cuando su temperatura está por debajo de la de su entorno. Temperatura La temperatura mide la intensidad o el nivel de calor de una sustancia, es decir, lo caliente o frío que está. Las unidades de temperatura son: Kelvin (K) en el SI. Celsius o Centígrado (°C) en el sistema métrico. Fahrenheit (°F) en el sistema anglosajón. Fíjate en el siguiente cuadro. En él se recogen las equivalencias entre los distintos sistemas de unidades de temperatura. Esta información te será muy útil para expresar temperaturas en distintas unidades. °C → °F °F = (1,8 °C) +32 °F → °C °C = (°F √ 32)⋅ 0,55 °C → K K = 273 + °C K → °C °C = K - 273 °F → K K = 255,23 + ( 0,55⋅ °F) K → °F °F = 1,8 K √ 459,4 Tabla 4: Equivalencias entre unidades de temperatura. 15 4 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor a 16 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos En un canal de televisión han dicho que en Nueva York está nevando y que la temperatura es de 30 grados. ∂Cómo es posible esto? La temperatura se mide mediante un termómetro. Los termómetros pueden estar graduados en cualquiera de las tres escalas de temperatura que ya hemos visto. Las tres, Celsius, Kelvin y Fahrenheit, utilizan dos puntos básicos de referencia: cuando el agua empieza a congelarse y cuando empieza a hervir. En la figura 7 se muestra la relación entre ellas. Fig. 7: Comparación de escalas termométricas. Si observas la figura anterior, comprobarás que tanto en el termómetro graduado en Kelvin como en el Celsius, 100 intervalos de temperatura corresponden a una diferencia de 100 grados, aunque el valor de temperatura que indica cada termómetro es diferente. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Una diferencia de temperatura de un Kelvin equivale a una diferencia de temperatura de un grado centígrado. Vamos a comprobar ahora con un ejemplo que los incrementos de temperatura en grados Kelvin y centígrados coinciden. Veamos primero cuál es el incremento de temperatura, ∆T, al pasar de 30 °C a 250 °C. ∆T =250 °C - 30 °C = 220 Si convertimos ahora las temperaturas inicial y final en grados Kelvin y calculamos de nuevo el incremento de temperatura comprobaremos que ambos coinciden. 250 °C + 273= 523 K 30 °C + 273 = 303 K ∆T = (523-303) K = 220 Esta relación es muy importante ya que las diferencias de temperatura suelen expresarse en K y no en °C, puesto que coinciden. Observa como al hablar del diferencial de un termostato aparece en K y no en °C. Con frecuencia se habla de que el diferencial de un termostato es de 5K, o de un recalentamiento de 3K en una máquina frigorífica. TERMOSTATO CON AJUSTE POR LA PARTE SUPERIOR Escala de Ajuste Tipo Punto de Ajuste Superior (°C) Diferencial ∆T (K) Termostatos sin conmutador selector 1 -30º +15 1,5º 16 2 -30º +15 Cada 2,5 fijo 3 -10º+35 1,5º16 4 -45º-10 1,5º 16 Contactos de baja temperatura Observa como en el catálogo aparece el diferencial en K. 17 5 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor a 18 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos El cero absoluto de temperatura es la temperatura teórica más baja posible, y se alcanza cuando ya no queda más calor en una sustancia. El cero absoluto corresponde a 0 grados Kelvin. ¿A cuántos ºC y ºF equivale? o Tipos de termómetro Existen distintos tipos de termómetros utilizados a nivel industrial, aparte del tradicional termómetro de mercurio que seguro que has utilizado alguna vez para medir la temperatura corporal. Veamos cuáles son los más habituales. A. Termómetro de bulbo Estos medidores se basan en el aumento de presión que experimenta un fluido cuando aumenta la temperatura. Consisten en un depósito o bulbo conectado mediante un capilar a un tubo en espiral que se encuentra en el interior del manómetro. Cuando la temperatura del bulbo aumenta, el gas o líquido que lleva en su interior intenta expandirse, haciéndose mayor la presión que ejerce sobre las paredes del tubo. Debido a esta presión, la espiral se desenrolla y mueve un índice o aguja, que marca la temperatura. Se emplean para realizar mediciones a nivel local, poniéndolos en contacto con la superficie a medir. CAPILAR BULBO Fig.8: Termómetro de bulbo. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica B. Medidores de temperatura de contacto Estos termómetros determinan la temperatura colocando el aparato sobre la superficie cuya temperatura se quiere medir. Pueden determinar temperaturas entre -200 y +1.767 °C. En tu trabajo probablemente utilizarás alguno de los que se describen a continuación: Termorresistencia. Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al variar la temperatura. Las de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo, que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con cable común de cobre. La magnitud de la corriente de medición de una termorresistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá como un error de medición. Podríamos realizar distintas clasificaciones de las termorresistencias. Inicialmente podríamos hablar de: • PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia. • NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. Fig. 9. Ejemplo de NTC. Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así tenemos, entre otras: • Pt 100: Son termorresistencias de platino. Tienen un valor de 100 Ω a 0 °C. Son las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables, ya que es difícil que se contaminen con el medio en que se encuentran. Además su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro material (con la excepción del cobre). 19 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor En la figura siguiente aparece la curva de una Pt 100. Fig. 10: Curva de una resistencia Pt 100. • Ni 500: Termorresistencia de níquel con un valor de 500 Ω a 0°C. Nuestro problema no es decidir que tipo de termorresistencia debemos utilizar para cada aplicación, sino seleccionarla correctamente según las características técnicas del instrumento de medida: numero de hilos, tipo de encapsulado, etc. Observa el esquema eléctrico de la figura siguiente correspondiente a un programador electrónico en el que aparecen distintas alternativas para la sonda de temperatura. Fig. 11: Esquema de conexiones de un controlador (Eliwell). 20 Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica En la figura 12 puedes ver una Pt con el conversor de señal sin integrar (a) e integrado (b). La termorresistencia necesita un dispositivo para ≈interpretar∆ a que valor de temperatura corresponde el valor de dicha termorresistencia. Así mismo, suele ser necesario transmitir la señal a distancias que pueden ser largas, por lo que es preciso convertir la señal de la termorresistencia en una señal de voltios o mA. Generalmente se suelen utilizar los valores 0 √ 10 Voltios, 0 √ 20 mA ó 4 √ 20 mA. Fig. 10. Fig. 12. Termorresistencias de platino. En la siguiente fotografía se muestra el aspecto de una Pt 100 sin conectar y su apariencia una vez conectada. Fig. 13. Termorresistencia Pt 100 instalada. 21 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Las señales de 4 √ 20 mA no sólo se emplean con las sondas de temperatura sino que también son muy utilizadas con los transmisores de presión, como veremos posteriormente. En la figura aparece la señal procedente de un transmisor de presión con un rango comprendido entre 0 y 30 bar. 22 Fig. 14: Señal correspondiente a un transmisor de presión. Termopar. Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. No mide temperaturas absolutas, sino la diferencia entre el extremo caliente y el frío. Los termopares son muy usados como sensores de temperatura. Son baratos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los materiales que contienen. El más utilizado en el mundo de la refrigeración es el termopar tipo T (Cu-Constantan). Fig. 15. Fundamento del funcionamiento de un termopar. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Observa ahora la gráfica 16 y la tabla que está a continuación y compara los rangos de aplicación y las condiciones generales de uso de termorresistencias y termopares. Fig. 16: Rango de temperaturas de uso de termorresistencias-termopares. UTILIZACI‡N DEº Pt100 Termopar Cuando se requiere alta precisión Cuando el lugar de medida requiere un termómetro muy pequeño o delgado (<1mm) Cuando la temperatura está por debajo de 400 °C Cuando la temperatura excede de 400 °C Cuando no se requiere un tiempo rápido de respuesta Cuando se requiere un tiempo de respuesta rápido Cuando no se esperan choques ni vibraciones Cuando se esperan choques o vibraciones Cuando se quieren evitar los problemas eléctricos Cuando se necesita una longitud específica de inmersión Tabla 5: Aplicaciones de termorresistencias y termopares. 23 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos C. Medidores de temperatura sin contacto 24 Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas. Generalmente poseen un rayo de luz piloto para indicar el centro del punto de medida. En superficies brillantes o pulidas, sólo se podrán utilizar para determinadas tendencias de temperatura. No es posible en estos casos realizar mediciones absolutas. Son muy cómodos de utilizar, pero más caros que los de contacto. 6 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Un medidor de este tipo es el termómetro por infrarrojos. Su funcionamiento se basa en la medición de la radicación infrarroja emitida por un cuerpo para determinar su temperatura. a Fig. 17: Termómetro por infrarrojos. ∂Existe alguna temperatura en la que marquen lo mismo un termómetro graduado en la escala Celsius y otro graduado en la escala Fahrenheit? Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Intercambio de calor En el capítulo anterior hemos visto algunas de las principales propiedades termodinámicas de la materia, como el calor. Vamos a estudiar ahora cómo se transfiere el calor entre diferentes sustancias, algo que nos es familiar, ya que por ejemplo, echamos leche fría en el café caliente para enfriarlo, o en invierno nos abrigamos para no pasar frío. Estos son algunos ejemplos cotidianos de transferencias de calor, un fenómeno muy presente en el mundo de las climatizaciones. La transferencia de calor La transferencia de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. Existen tres formas de transmisión de calor: Convección. Radiación. Conducción. Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de ellos predomine sobre los otros dos. Ejemplos El calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción. El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección. La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. 25 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Vamos a ver a continuación en qué consiste cada uno de los mecanismos de transmisión de calor. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor o Convección 26 Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndose calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fenómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característico de líquidos y gases. El movimiento del fluido puede ser: Natural. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el fluido se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende, mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Supón que calentamos una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación en el seno del líquido. El líquido más frío situado abajo vuelve a calentarse e inicia su ascensión, mientras que el líquido más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor cediéndolo al aire situado por encima, enfriándose y volviendo a descender. Y así continuamente. Este fenómeno también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes y las corrientes oceánicas. En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convección natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los radiadores de la calefacción por gas natural que muchos de nosotros tenemos en casa. Forzado Forzado. En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El mo- vimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente. Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en espacios reducidos, como puede ser en un baño. La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convección forzada, tal como se indica en la figura adjunta. 7 ctividad Fig. 18: Evaporadores de convección forzada y de convección natural. a ∂Cómo crees que afectan las corrientes naturales de convección en una habitación calefactada mediante un radiador al calentamiento de la estancia? ∂Qué ocurre si colocamos un ventilador frente al radiador? ∂Y si situamos el termostato muy cerca del techo o del suelo? 27 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor ∂Sabías que debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo, y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo para que la eficiencia sea máxima? 28 o Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, que es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. Fig. 19. A través de los sólidos el calor se transmite por conducción. La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en cuerpos continuos, y baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conductor de calor, no lo transmite sino que nos protege de perderlo. Por eso no deja escapar el calor que tenemos en nuestro cuerpo, y nos aísla de las corrientes de convección que nos lo pudieran robar. o Radiación Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absoluto, emiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándose y calentando otros cuerpos. También los cuerpos son capaces de absorber radiación de un cuerpo que esté a temperatura mayor, calentándose. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, las velocidades de emisión y absorción son iguales. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida. Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía que incide sobre él. Ninguna parte de la radiación que llega hasta él es reflejada o pasa a su través. Como estos cuerpos no reflejan la luz, se ven negros, de ahí su nombre. ∂Nunca has oído decir que en verano hay que ponerse ropa blanca porque es mucho más fresca? Es debido a que la ropa oscura absorbe toda la radiación, mientras que la blanca la refleja. ∂Sabías que a temperaturas ordinarias los cuerpos se ven por la luz que reflejan, no por la que emiten? Eso es lo que ocurre con la Luna, que la vemos gracias al reflejo de la luz del Sol. Sin embargo a temperaturas altas, los cuerpos son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros. Ejemplo Cuando la radiación solar llega a la superficie de la Tierra, le aporta energía que eleva su temperatura. La energía absorbida es emitida luego como radiación infrarroja. Sin embargo, no toda esta radiación vuelve al espacio, ya que alrededor de un 90% es absorbida por la atmósfera, provocando un fenómeno similar al que mantiene la temperatura cálida en el interior de un invernadero. De este modo, el equilibrio térmico se establece a una temperatura superior a la que se obtendría sin este efecto. 29 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos 30 8 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor ∂Sabías que la importancia de los efectos de absorción y emisión de radiación en la atmósfera son fundamentales para el desarrollo de la vida tal y como se conoce? De hecho, si no existiera este efecto la temperatura media de la Tierra sería entre 30 y 40 °C más baja, situándose a casi 20 °C bajo cero. a El cuerpo humano dispone de mecanismos de generación de calor y, a su vez, está sometido a un intercambio térmico con el ambiente que le rodea, con el fin de mantener la temperatura corporal dentro de unos límites. ∂Cuáles crees que son los mecanismos de intercambio para lograrlo? Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Cambios de estado en la materia Seguro que ya sabes que la materia puede ser sólida, líquida o gaseosa. Si no, piensa en el agua, el hielo y el vapor de agua, es la misma sustancia que se presenta de forma diferente en función de la temperatura. Para poder modificar la temperatura y conseguir cambios de estado, hemos de transferir calor por alguno de los métodos expuestos en el capítulo anterior. Ahora veremos cómo ocurre. Las sustancias existen en tres estados, en función de su temperatura, presión y contenido térmico: Sólido: cualquier sustancia física que conserva su forma incluso aunque no esté dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de moléculas, todas exactamente con el mismo tamaño, masa y forma. Están en la misma posición relativa unas de otras, pero aún así, pueden vibrar. Esta velocidad de vibración dependerá proporcionalmente de la temperatura, a mayor temperatura, mayor vibración, y viceversa. Las moléculas se atraen fuertemente entre sí y es necesaria mucha fuerza para poder separarlas. Son propiedades características de un sólido su rigidez, su dureza y su resistencia. Líquido: es cualquier fluido cuyo volumen se mantiene constante en condiciones de temperatura y presión también constantes. Su forma está definida por su contenedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos los lados. Las moléculas se atraen entre sí con una fuerza menor que en los sólidos. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. ¿Sabías que el vidrio a temperaturas normales no es un sólido sino un líquido supercongelado? 31 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Gas: es un fluido que no tiene forma ni volumen fijo. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas, así como el número de partículas por unidad de volumen. Las partículas se mueven libremente de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene, de modo que ocupan todo el espacio disponible. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión. 32 9 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor El agua a presión atmosférica estándar y temperaturas bajo cero es un sólido (hielo). Entre 0 °C y 100 °C es un líquido (agua), y a partir de 100 °C es un gas (vapor). a Clasifica las siguientes características según se correspondan a sólidos, líquidos o gases: a. Volumen constante. b. Volumen variable. c. Dureza. d. Forma fija. e. Forma variable. f. Partículas ordenadas en posiciones fijas. g. Partículas próximas con movimiento libre. h. Partículas distantes con movimiento libre. i. Expansibles. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica La mayoría de las sustancias cambian de estado físico cuando absorben o eliminan calor: Absorber calor provoca: • Que los sólidos se conviertan en líquidos: fusión. • Que los sólidos se conviertan gases, sin pasar por líquido: sublimación. • Que los líquidos se conviertan en gases: vaporiza vaporización. Eliminar calor provoca: provoca: • Que los gases se conviertan en líquidos: condensa condensación. • Que los líquidos se conviertan en sólidos: solidifica solidificación. • Que lo gases se conviertan en sólidos, sin pasar por líquido: sublimación in inversa. Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licue licuefacción. Fig. 20. Cambios de estado de la materia. Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y presión para cualquier sustancia dada. Puedes ver en la figura siguiente cómo el agua pasa de sólido a vapor, y cómo se representan en un gráfico Temperatura-Calor estos cambios. 33 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor 34 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Fig. 21. Cambios de estado del agua. Las temperaturas a las que se producen estos cambios tienen un nombre concreto y se denominan: Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado lí- quido. También se llama punto de fusión. Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor. También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación. Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado líquido. También se llama temperatura de saturación. Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido cambia al es- tado sólido. Recuerda a presión constante: T fusión =que T solidificaci ón T ebullición = T condensación T fusión = T solidificación T ebullición = T condensación Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica El diagrama de saturación o de vaporización La temperatura de saturación de las sustancias varía de unas a otras, y a su vez en función de la presión. El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar, es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión disminuye la temperatura de saturación o de vaporización. ¿Sabías que a la altura del nivel del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera y la temperatura de ebullición del agua en un recipiente abierto es de 100 °C? PDADES. DEL AGUA PTO. DE EBULLI EBULLICI‡N P VAPOR A nivel del mar 100 °C 1.013 mbar (1 atm) A 3.000 m 89 °C 675 mbar (0,666 atm) Sin embargo, a mayor altitud la presión atmosférica es menor y la temperatura a la que hierve el agua disminuye. Por ello, si nos pusiéramos a cocer alimentos en un recipiente abierto a 3.000 m de altura, podríamos tardar incluso días, ya que el agua comenzaría a hervir a una temperatura mucho menor de 100 °C, se convertiría en vapor y no alcanzaríamos la temperatura suficiente para lograr una cocción relativamente rápida. 35 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Para mostrar la información relativa a presiones y temperaturas se utiliza el diagrama de saturación de cada sustancia. A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra el correspondiente al refrigerante R-22. 36 Fig. 22: Diagrama de saturación del R-22. Estos diagramas permiten obtener mucha información (consulta las figuras 22 y 23 a medida que vayas leyendo el texto): Conocer el estado físico de una sustancia. Supón unos valores concretos de tempe- ratura y presión: • Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en la figura 22 y punto A en la figura 23a). • Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2 en la figura 22 y punto C en la figura 23a). • Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está saturada (punto 3 en la figura 22 y punto B en la figura 23a). Obtener la temperatura de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión y la curva de saturación (T1 en la figura 23b). Obtener la presión de saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la co- rrespondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura y la curva de saturación (P2 en la figura 23b). Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica La presión a la que, para cada temperatura dada, las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio se denomina presión de vapor o más comúnmente presión de saturación. saturación Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la curva (por ejemplo el punto 3 en la figura 22). Fig. 23: Obtención de valores en el diagrama de saturación. En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representativo en el diagrama. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que puede ser alguno de los siguientes: Líquido saturado. Surge cuando se aplica calor adicional a un líquido, provocando la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la cur curva de saturación. Vapor saturado. Se forma cuando la temperatura de un vapor disminuye a la temperatura de saturación. El enfriamiento del vapor provoca la condensación de una parte de él. El punto representativo se encuentra también sobre la curva de saturación. Vapor sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por encima de la temperatura de saturación. Para sobrecalentar un vapor, es necesario separar el vapor del líquido, estará saturado. El punto correspondiente en el diagrama de saturación estaría situado por debajo de la curva (punto 2 en la figura 22). Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama estaríamos situados por encima de la curva (punto 1 en la figura 22). 37 10 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor a 38 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos a) Con ayuda de la gráfica de la figura 22 determina cuál es la temperatura de saturación correspondiente a la presión de 10 bar. b) Para 0 °C y 20 bar, ∂en qué estado físico se encuentra la sustancia? Tipos de calor El calor que recibe o que cede un cuerpo puede dar lugar a un cambio de temperatura o a un cambio de estado. La energía térmica relacionada con cada uno de estos fenómenos tiene un nombre específico, y así hablamos de calor latente y calor sensible. A continuación se explica cómo se define y se calcula cada uno de ellos. o Calor latente Cuando un cuerpo absorbe calor bajo ésta forma (o se le suministra) su temperatura permane permanece constante produciéndose un cam cambio de estado físico. Así, por ejemplo, mientras el agua está hirviendo la temperatura permanece constante (100 °C a nivel del mar) mientras exista una mezcla de líquido y agua que se vaporiza. Latente en latín quiere decir escondido. El calor latente se llama así porque no se manifiesta explícitamente, la temperatura no varía durante el cambio de estado. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica El calor latente necesario para provocar un cambio de estado varía con cada sustancia. Fíjate en los ejemplos recogidos en la tabla siguiente: CALOR LATENTE Agua 539 kcal/kg - 2.257 kJ/kg Amoníaco 327 kcal/kg - 1.369 kJ/kg R-22 52 kcal/kg - 217 kJ/kg Tabla 6: Calor latente de vaporización (Lv) de algunas sustancias. ∂Sabías que el proceso que ocurre en un botijo es una refrigeración mediante evaporación? Es muy simple, cuando el agua se evapora necesita energía para que se produzca el cambio de estado de líquido a gas. Esa energía puede tomarla del ambiente, pero también del propio sistema, en este caso del agua. Así cuando se evapora una parte de agua, a través de los poros del botijo, extrae energía del sistema y por tanto en el agua remanente disminuye la temperatura. A. ∂Cómo se calcula el calor necesario para lograr un cambio de estado? La cantidad de calor que se debe añadir o eliminar de una masa de material dada para provocar su cambio de estado se puede calcular mediante la siguiente ecuación: QL = m ⋅ L Siendo: QL = cantidad de calor absorbida o eliminada por la materia. m = masa de la sustancia. L = calor latente de la sustancia. Vamos a aplicar esta fórmula para calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, necesaria para vaporizar 10 kilogramos de agua que se encuentran a 100 °C. QL= m ⋅ Lv = 10 kg ⋅ 539 kcal/kg = 5.390 kcal 39 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos El calor latente depende de la transformación que se vaya a producir en la materia de la que este formado el cuerpo. Así podemos hablar de: • Calor latente de solidificación: cantidad de calor que se debe extraer a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura. • Calor latente de fusión: fusión: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado sólido al estado líquido sin aumentar su temperatura. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor • Calor latente de vaporización: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura. 40 o Calor sensible Se llama sensible al calor evidente al tacto, el que sentimos y medimos con un termómetro. Este calor provoca, tanto si se añade como si se retira, un cambio en la tempera temperatura de la sustancia. En este caso no existe cambio de estado de la sustancia. La cantidad de calor intercambiada depende de la variación de temperatura y del calor específico del cuerpo. Se define el calor específico de un cuerpo como la cantidad de calor que debe suministrarse a un cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico. Sus unidades son J/kg K en el Sistema Internacional, aunque es muy frecuente emplear la cal/g °C. El calor específico del agua es 1 cal/g °C, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Cada sustancia tiene su propio calor especifico; en la tabla 7 tienes algunos ejemplos. CALOR ESPEC‹FICO Agua 4,187 kJ/kg K - 1 cal/g °C Hielo 2,110 kJ/kg K - 0,504 cal/g °C Madera 1,369 kJ/kg K - 0,327 cal/g °C Hierro 0,54 kJ/kg K - 0,129 cal/g °C Cobre 0,398 kJ/kg K - 0,095 cal/g °C Tabla 7: Calor específico de distintas sustancias. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica A. ∂Cómo calcular el calor necesario para lograr un aumento determinado de temperatura en una sustancia? Para calcular la cantidad de calor que se debe añadir o eliminar para provocar un cambio específico en la temperatura de una materia, se utiliza la siguiente fórmula: QS = m ⋅ c⋅ (t2-t1) Siendo: QS = cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia. m= masa de la sustancia. c = calor específico de la sustancia. t2 = temperatura final. t1 = temperatura inicial. Analiza el siguiente ejemplo. Vamos a calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, que debe añadirse para calentar un bloque de cobre de 20 kilogramos desde 30 °C a 250 °C. Necesitamos conocer el calor específico del cobre. Si consultamos la tabla 7, comprobamos que: Ccobre = 0,095 kcal/kg ⋅ °C Aplicamos directamente la fórmula Qs = m⋅c⋅(t2 - t1) Qs= 20 kg ⋅ 0,095 kcal/kg⋅ °C⋅(250-30) °C = 418 kcal Para el caso de los alimentos existen tablas donde aparecen los datos necesarios para calcular la cantidad de calor que es necesario extraer de los mismos para modificar su temperatura y/o lograr un cambio de estado. En la tabla 8 tienes un ejemplo de presentación para algunos alimentos: Fíjate como aparecen los datos de calor latente, calor específico, calor de respiración, humedad relativa, º Todos estos datos resultan de interés a la hora de proyectar una instalación para el almacenamiento de alimentos. Si por ejemplo se trata de almacenar carne fresca, la humedad relativa de la cámara es muy baja, la carne pierde agua y, por tanto,peso, resultando una pérdida económica importante para el propietario de la instalación. 41 42 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Tabla 8: Datos relativos a algunos alimentos. 11 ctividad Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor aa 1 Calcula el calor necesario que se debe extraer para conservar 250 kg de uvas durante 24 horas, sabiendo que entraron en la cámara a una temperatura de 14 ≥C. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica o Gráficos Temperatura -Calor Los cambios de temperatura y de estado pueden representarse en gráficas similares a la ilustrada en la figura 24. En ella se representa la temperatura frente al calor. Puedes comprobar que cuando sube la temperatura no hay cambio de estado y que cuando hay cambio de estado, la temperatura permanece constante. También se indica gráficamente cuál es el calor sensible y cuál el latente. 12 ctividad Fig. 24: Gráfico temperatura-calor. a a Disponemos de 10 kilogramos de pescado a una temperatura de 20 ≥C y queremos congelarlo y llevarlo a una temperatura de √18 °C. ∂Qué cantidad de calor debemos extraer para lograrlo? 43 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Resumen 44 Presión Es la fuerza dividida por la superficie de contacto sobre la que se aplica. Suele expresarse en Pascales y se mide mediante un manómetro. La presión atmosférica, es la presión que ejerce el aire sobre la tierra y se toma como referencia para los cálculos. Se mide con un barómetro. Energía y Poten Potencia Es la capacidad para realizar un trabajo, todos los cuerpos tienen energía por ser materia Se mide en Julios. La potencia es la cantidad de trabajo que se realiza en un tiempo. Se mide habitualmente en kilovatios. Calor y Frío El calor es una forma de energía asociada al movimiento de las partículas, debido a una diferencia de temperatura. Tiene unidades de energía, pero la que se suele utilizar es la caloría, y en las refrigeraciones, frigorías. El frío es la ausencia de calor. Temperatura Representa la cantidad de calor de un cuerpo. Sus unidades son grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se mide habitualmente mediante un termómetro. En aplicaciones industriales, se utilizan termorresistencias y un termopares, todos ellos medidores por contacto. También existen aparatos de medida sin contacto, que funcionan mediante infrarrojos. Transferencia de ca calor Se produce mediante el intercambio de energía debido a una diferencia de temperatura Ocurre a través de tres mecanismos: convección, conducción y radiación. Convección Intercambio de calor que se produce por diferencia de temperatura en el seno de un fluido. Puede ser natural o forzada. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Radiación Todos los cuerpos por tener una temperatura superior al cero absoluto emiten energía, enfriando y calentando los cuerpos que están a su alrededor. No es necesario un medio para transmitir calor por radiación. Los cuerpos negros absorben toda la radiación que llega hasta ellos y no reflejan nada, al contrario que los cuerpos blancos. Conducción Transmisión de calor por contacto directo de las partículas de los cuerpos implicados. Cada cuerpo tiene definida su conductividad térmica, que determina la capacidad de conducir el calor a través de él. Cambios de estado estado Los tres estados de la materia son sólido, líquido y gas. Al añadir o eliminar calor, las sustancias cambian de estado, cada una a unos valores propios de temperatura y presión.. Durante el cambio de estado no aumenta la temperatura. Calor latente Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustancia para que se produzca su cambio de estado, sin cambio de temperatura. Calor sensible Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustancia para producir un cambio en su temperatura. Calor específico Es el necesario para aumentar 1 ≥C la temperatura de 1 kilogramo de sustancia. Diagrama de satura saturación Es un diagrama Presión-Temperatura en el que la curva representa el paso de líquido a vapor. Sobre la curva nos encontramos en situación de saturación, a la presión de vapor. Por encima de la curva tenemos líquido subenfriado y por debajo vapor sobrecalentado. 45 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Autoevaluación 1. ∂A qué magnitud corresponden las siguientes unidades? Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor UNIDAD CV psi Fahrenheit 46 MAGNITUD daN/cm2 kJ Frigoría 2. ∂Cómo se transmite el calor en una olla, un atizador de fuego y una hoguera? 3. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: V F a. El agua se congela a 273 K. b. Esta nevera tiene 5.000 calorías de potencia. c. Los sistemas de climatización pueden expresar su potencia en frigorías/hora. d. En Los Ÿngeles hace mucho calor hoy, hay 50 °F. e. El calor se transfiere de la zona fría a la caliente f. Un radiador transmite energía por conducción. g. En el Everest el agua hierve a una temperatura inferior que a nivel del mar. h. El calor latente de una sustancia es el necesario para que se produzca un cambio de estado. i. Si el manómetro nos da una presión negativa es porque hemos medido mal. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica 4. Determina la cantidad de calor que hay que suministrar para convertir 1 gramo de hielo a -20 °C en vapor a 100 °C. Representa en una gráfica Temperatura-Calor, los cambios que se van produciendo a medida que aumenta la temperatura. Los datos son los siguientes: Calor específico del hielo ch = 2.090 J/(kg⋅K) Calor de fusión del hielo Lf = 334”103 J/kg Calor específico del agua c = 4.180 J/(kg⋅K) Calor de vaporización del agua Lv = 2.260”103 J/kg 47 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Respuestas Actividades 1. Los manómetros miden la presión relativa, marcando 0 a la presión atmosférica a Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor nivel del mar. Que la aguja no esté situada en el cero, significa que el sistema en el que está integrado el manómetro no está ubicado a nivel del mar, y éste está midiendo la diferencia entre la presión del ambiente en el que se encuentra, y la presión atmosférica. 48 2. El valor de 0,5 bar corresponde a la presión relativa. La presión absoluta sobre el sistema la calculamos sabiendo: P absoluta = P atmosférica + P relativa = 1 + 0,5 = 1,5 bar 3. 1 kilovatio equivale a 1 kilojulio por segundo. Vamos a convertir las kilofrigorías a kilojulios, y las horas en segundos hasta obtener el resultado en las unidades buscadas. 2.500 kfrig 1.000 frig 4,18 kJ 1 hora = 2.902,78 kJ/s= 2.902, ⋅ ⋅ ⋅ 902,78 kw h 1 kfrig 1 frig 3.600 s 4. Los 30 grados son Fahrenheit, por eso es posible que esté nevando, ya que se corresponden aproximadamente con -1 °C. (30 °F √ 32) ⋅ 0,55 = -1,1 °C 5. El cero absoluto expresado en °C y °F tiene los siguientes valores: °C = K - 273 = 0 - 273 = -273 °C °F= 1,8 ⋅ K - 459,4 = 1,8 ⋅ 0 – 459,4 = -459,4 °F 6. Para comprobarlo, hemos de utilizar las ecuaciones de conversión de Celsius a Fahrenheit y viceversa: °F = (1,8⋅ °C) + 32 °C = (°F √ 32)⋅ 0,55 Resolviendo °F = °C en cualquiera de las expresiones: °C= (1,8 ⋅ °C) + 32 -0,8 ⋅ °C = 32 → °C = -40 = °F Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica 7. Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Si ponemos un ventilador, debido al efecto de la convección forzada, se calentará mucho más deprisa el ambiente. Es similar al ejemplo que hemos visto de agitar el agua que se calienta al fuego. Tanto si colocamos el termostato muy cerca del techo como muy cerca del suelo, su lectura no se corresponderá con la temperatura general de la habitación ya que, en las proximidades del techo el aire está más caliente y cerca del suelo está más frío. 8. El cuerpo humano elimina el calor por radiación en una tasa proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio ambiente. La radiación es responsable del 50% de la pérdida total del calor del cuerpo y la mayor parte de ese calor se pierde por la cabeza. También el ser humano pierde calor por conducción cuando entra en contacto con un objeto que está a menor temperatura que su cuerpo. Ocurre por ejemplo al dormir sobre un suelo frío o al utilizar zapatos de suela fina sobre la nieve. Además el cuerpo intercambia calor a través de su piel con el aire que le rodea . El intercambio térmico entre la piel y el aire se produce por convección. Este intercambio dependerá de la diferencia de temperaturas y de la velocidad del aire. 9. S‡LIDOS L‹QUIDOS GASES Volumen constante Volumen constante Volumen variable Forma fija Forma variable Forma variable Partículas ordenadas en posiciones fijas Partículas próximas con movimiento libre Partículas distantes con movimiento libre Dureza Expansibles 49 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos 10. a) Utilizando el diagrama de la figura 22 trazamos una línea recta horizontal a la altura de 10 bar hasta cortar con la línea de saturación. La temperatura correspondiente al punto de corte es la temperatura de saturación a esa presión: 20 °C (punto 1). b) El punto correspondiente a una temperatura de 0 °C y a una presión de 20 bar Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor es el punto 2. Dado que se encuentra por encima de la curva de saturación, la sustancia estará como líquido subenfriado. 50 11. 11. Si consultas la tabla 8 y compruebas los datos correspondientes a las uvas, verás que su temperatura de conservación para periodos de almacenaje corto es de 2 °C. Aplicando la fórmula correspondiente para calcular la cantidad de calor que es necesario extraer: Q=m ⋅ c (t2-t1)= 250 kg ⋅ 0,86 kcal/kg °C (2 °C √ 14 °C) = - 2.580 kcal El signo √ significa que el calor ha de ser eliminado. 12. La primera etapa del enfriamiento es la correspondiente a la bajada de temperatura desde 20 °C hasta el punto de congelación, en este caso √2 °C. Para calcular el calor perdido por el pescado en este tramo aplicamos la fórmula: Q= m⋅c⋅ (t2-t1) siendo m= 10 kg c= 3,18 kJ/kg °C t1 = 20 ≥C t2= -2 ≥C Q1=10 kg ⋅ 3,18 kJ/kg °C⋅ [(-2)-20] °C= - 699,6 kJ (el signo menos indica que es calor cedido por el pescado). Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica Una segunda fase es la correspondiente al cambio de fase propiamente dicho, en el que se congelan todos los fluidos del pescado pasando de líquido a sólido. Para calcular el calor implicado en ese paso aplicamos la fórmula: Q= m ⋅ L m= 10 kg L= 276 kJ/kg siendo Q2=10 kg ⋅276 kJ/kg = 2.760 kJ Aún tenemos que calcular el calor cedido durante la última etapa de enfriamiento, hasta que se alcanzan los √18 °C. Para ello aplicamos de nuevo la primera fórmula, siendo en este caso: m= 10 kg c= 1,67 kJ/kg °C t1 = -2 ≥C t2= -18 ≥C Q3=10 kg ⋅ 1,67 kJ/kg °C⋅ [(-18)-(-2)] °C = 267,2 kJ El calor total cedido es la suma de los tres calculados: Q = 699,6 + 2.760 + 267,2 = 3.726,8 kJ 51 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Respuestas Autoevaluación Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor 1. La respuesta correcta es: 52 UNIDAD CV psi Fahrenheit MAGNITUD Potencia Presión Temperatura daN/cm2 kJ Frigoría Presión Energía Energía 2. La respuesta correcta es: En una olla se produce conducción por el calor que se propaga de la parte de debajo de la olla donde incide el fuego, al resto de las partes, y también aparece este fenómeno cuando estamos cocinando algo sólido, por ejemplo, un pollo, el calor se transmite desde la superficie de la olla al pollo. La convección surge cuando, por ejemplo, estamos calentando agua, y se iguala la temperatura de todo el fluido. En un atizador de fuego se produce claramente conducción. Se calienta el ex- tremo con el que se remueven las brasas, y el calor se propaga a través de él hasta que tú lo sientes en la mano. En una hoguera se produce radiación, se transmite calor sin necesidad de materia como medio de transmisión. 3. Las afirmaciones son: a. Verdadera. b. Falsa. La caloría es una unidad de energía, no de potencia. c. Verda Verdadera. d. Falsa. 50 ≥F equivale a 10 ≥C, con lo cual, no hace mucho calor. e. Falsa. Siempre se transmite de la zona caliente a la fría.. f. Falsa. Se transmite el calor mediante radiación g. Verda Verdadera. h. Verdadera. i. Falsa. También mide presiones negativas, cuando la presión medida está por debajo de la atmosférica. Unidad 1 Conceptos Básicos de Termodinámica 4.. Vamos a calcularlo paso a paso: Se eleva la temperatura de 1 gramo de hielo de -20 ºC a 0 ºC. Calculamos el calor sensible correspondiente a este paso, ya que no hay cambio de fase, sólo de temperatura: Q1= m⋅c⋅(t2 - t1) = 0,001 kg ⋅ 2.090 J/kg K ⋅(0-(-20)) K= 41,8 J Date cuenta que el intervalo de temperatura es igual en Kelvin y en Celsius, por eso ponemos en las unidades K, para obtener al final las unidades deseadas sin tener que hacer el cambio de ºC a Kelvin. Si no fuera una diferencia de temperatura, sí tendríamos que hacer el cambio de unidades. A continuación se funde el hielo, hay cambio de fase, pero no de temperatura. Lo calculamos mediante el calor latente de fusión, porque pasamos de sólido a líquido: Q2= m⋅Lf =0,001 kg⋅334⋅103 J/kg = 334 J Después se eleva la temperatura del agua de 0≥ C a 100 ≥C. Utilizando el calor espe- cífico del agua, obtenemos el calor necesario para realizar ese aumento de temperatura: Q3= m⋅c⋅(t2-t1) = 0,001 kg ⋅ 4.180 J/kg K ⋅(100-0) K=418 J Por último se convierte 1 gramo de agua a 100 º C en vapor a la misma temperatura: Q4= m⋅Lv =0,001 kg ⋅2.260⋅103 J/kg = 2.260 J Sumamos todas las cantidades de calor que hemos calculado para obtener el calor total necesario: QT=Q1+Q2+Q3+Q4=3 3.053, 053,8 J La gráfica T-Q que representa los cambios durante este proceso es la siguiente: T (C) 0 100 50 Agua + vapor Vapor Agua 0 Hielo + agua Q (J) -20 Hielo 41,8 375,8 793,8 3.053,8 53 Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos Técnico en Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor 54
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