LABORATORIO: AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION

1. OBJETIVO

Identificar las partes de un modulo de refrigeración Manipulación y funcionamiento del equipo de refrigeración

2. FUNDAMENTO TEORICO

La historia de la refrigeración puede remontarse a cientos de años cuando el hielo natural proporcionaba el efecto de enfriamiento. La época de la refrigeración a gran escala se desarrolló por primera vez en el siglo XIX, y a mediados de los 1800 la cosecha, almacenamiento y envió de hielo natural se convirtió en una de las industrias más importantes de los estados de Nueva Inglaterra.

Hacia finales del siglo XIX, la refrigeración mecánica se había convertido en un hecho práctico y la industria de la refrigeración tal como se conoce ahora ya había surgido. Junto con el uso de la refrigeración industrial para la preservación de alimentos, la producción química, las aplicaciones metalúrgicas, en medicina, entre otras, apareció otra faceta del proceso de refrigeración: el control de la temperatura y la humedad del ambiente, que se denomina comúnmente acondicionamiento de aire

La función principal de acondicionamiento de aire, es mantener, dentro de un espacio determinado, de confort. O bien las necesarias para la conservación de un producto o para un proceso de fabricación.

El uso de la refrigeración y aire acondicionado, cada día se va incrementando y encuentra más aplicaciones; hace algunos años, el uso principal de la refrigeración era la producción de hielo, ahora la refrigeración es esencial, en la producción y distribución de alimentos, y para el funcionamiento de la industria alimenticia y química.Con el aire acondicionado se vive más confortable y saludablemente. Y muchos procesos industriales se efectuaran de manera más eficiente

El equipo de acondicionamiento de aire se encarga de producir frío o calor y de impulsar el aire tratado al ambiente que se desea acondicionar. Generalmente, los acondicionadores de aire funcionan según un ciclo frigorífico similar al de las heladeras domésticas. Al igual que estos electrodomésticos, los equipos de acondicionamiento poseen cuatro componentes principales

Figura 1: Componentes básicos de un equipo de aire acondicionado

Comenzando desde el compresor (bomba de compresión de vapor), este recibe gas refrigerante a baja presión y alta temperatura desde la línea de succión, lo comprime y lo envía por la línea de descarga hacia el condensador. El refrigerante en este punto es un vapor a alta temperatura, alta presión y al que se le ha adicionado el calor de compresión. El condensador es un intercambiador de calor el cual extrae calor del gas refrigerante comprimido y lo condensa transformándolo en un líquido de baja temperatura a alta presión, y es enviado a la línea de líquido. Desde este punto líquido refrigerante es dirigido hacia el dispositivo de restricción (metering), el cual fuerza al flujo de refrigerante a pasar a través de una pequeña restricción que causa una brusca caída de presión, provocando que el refrigerante se convierta en una niebla de pequeñas gotitas a baja presión y baja temperatura. A continuación, el refrigerante ingresa al evaporador, que es otro intercambiador de calor, en donde absorbe calor del local que se desea acondicionar transformándose en vapor a baja presión y alta temperatura. A partir de aquí el refrigerante es succionado por el compresor para completar el ciclo. El refrigerante es utilizado una y otra vez absorbiendo calor de un ambiente y relocalizándolo en otro.

2.1.Compresor

El compresor comprime el gas y mueve el refrigerante alrededor del circuito, pudiendo realizar esta función una y otra vez. El primer paso para convertir refrigerante en forma de gas a líquido es comprimirlo, desafortunadamente el proceso de compresión agrega más calor al gas, el llamado calor de compresión. La Figura 2 muestra un compresor del tipo reciprocante.

Este tiene un pistón que sube y baja; cuando el pistón golpea hacia abajo el vapor refrigerante es arrastrado hacia el cilindro. Cuando el pistón golpea hacia arriba el vapor es comprimido e impulsado hacia el resto del circuito. Intercaladas en el circuito hay válvulas unidireccionales que impiden que el vapor se devuelva hacia atrás. Las válvulas se abren y cierran en respuesta a la presión que el refrigerante ejerce sobre ellas por acción del pistón. El gas comprimido y caliente es enviado a la línea de descarga y continúa hacia el condensador.

Figura 2: Compresor

2.2.Condensador

El condensador es un intercambiador de calor compuesto por conjunto de serpentines que conducen el refrigerante por su interior. Su función es extraer calor del gas refrigerante comprimido y caliente proveniente de la línea de descarga y convertirlo en líquido. El serpentín del condensador esta fabricado de un material que posee una buena conductividad térmica, comúnmente cobre. Para mejorar la transferencia de calor, las tuberías tienen adosadas aletas de aluminio que incrementan en gran medida el área de contacto que está expuesta al ambiente exterior. Normalmente el condensador tiene adosado un ventilador cuya función será la de forzar al aire a pasar a través de las aletas.

2.3.Dispositivo de restricción (metering)

Existen distintos tipos de dispositivos de restricción, pero todos realizan la misma función general, la cual es causar una fuerte caída de presión. La columna de líquido conducida por la línea de líquido es forzada a pasar a través de un pequeño orificio, donde se produce una gran caída de presión convirtiéndose en vapor saturado. La Figura 3 muestra un dispositivo de restricción de línea capilar. Este es un tubo largo y pequeño el cual tiene un diámetro interno mucho menor que la línea de

líquido. La línea capilar no tiene partes móviles y no puede responder a cambios en la carga térmica sobre el evaporador. Otro tipo muy común de dispositivo de restricción es la llamada válvula TX, su nombre completo es válvula termostática de expansión, o abreviado TXV. Esta válvula tiene la capacidad de regular el flujo de

Figura 3: Válvula TXV

refrigerante, pudiendo responder a cambios en la carga térmica sobre el evaporador. Si la carga térmica aumenta, la válvula incrementa el flujo de refrigerante o viceversa. La Figura 3 muestra este tipo de dispositivo y otros componentes adicionales.

La TXV tiene un sensor de temperatura unido a la salida del evaporador. Este mide la temperatura de la línea de succión y envía una señal a la TXV permitiéndole a ésta que ajuste el flujo de refrigerante. Esto es importante a causa de que si no todo el refrigerante en el evaporador cambia al estado gaseoso podría haber refrigerante líquido retornando al compresor. Este puede sufrir graves daños mecánicos ya que un líquido no puede ser comprimido.

Otro de los componentes extra que ha sido agregado es el llamado receptor. Su función es almacenar el refrigerante no necesitado, cuando la TXV reduce el flujo. Nótese que el tubo de salida está inmerso para asegurar que es solo líquido lo que alimenta a la línea de líquido, evitando alimentar a la TXV con una mezcla de líquido y gas.

2.4.Evaporador

El dispositivo de restricción pulveriza gotitas de refrigerante a baja presión en el evaporador. El evaporador es un serpentín de características similares al condensador y su función es reducir la

temperatura del aire que pasa a través de él y a su vez provocar la evaporación del refrigerante. Las gotitas del refrigerante tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de calor del flujo de aire que atraviesa el evaporador a causa de que están se cumplen las condiciones termodinámicas para que ocurra el cambio de fase del refrigerante, del estado líquido a estado gaseoso. Por lo tanto el aire es enfriado y es venteado a la habitación, donde se calentará y será captado nuevamente por el ventilador, repitiendo el ciclo y extrayendo más calor. Este proceso continua hasta que la habitación es enfriada a la temperatura deseada y luego el sistema de refrigeración se desconecta y se detiene. El refrigerante en forma de vapor es sometido a una succión que lo lleva a la línea de succión.

2.5.Accesorios

Existen varios accesorios que pueden ser agregados a un sistema de refrigeración para mejorar su rendimiento. La Figura 4 muestra el sistema descripto al que se le han agregado un filtro y un visor de vidrio. El filtro atrapa partículas no deseadas, evitando que obstruyan dispositivos importantes (y caros) tales como la válvula TX. El filtro también contiene un secante que absorbe pequeñas cantidades de agua, las cuales no estaban en el sistema cuando este se puso en marcha. El visor de vidrio es una ventana de visualización que le permite al técnico observar si está presente la columna completa de líquido refrigerante en la línea de líquido.

Figura 4: Accesorios

Para mejorar la transferencia de calor se pueden colocar aletas sobre el condensador y el evaporador y también se puede agregar un par de ventiladores que muevan el aire a través de estas aletas. Estos últimos son llamados ventilador del condensador y del evaporador respectivamente (ver Figura 5)

Figura 5: Ventiladores

Actualmente en los sistemas de refrigeración, el equipo se dispone en dos secciones (ver Figura 6), el evaporador se coloca en el ambiente a acondicionar donde hay una carga térmica y el conjunto formado por el compresor y el condensador en el exterior.

Figura 5: Sistema partido

CICLO DE REFRIGERACIÓN

Existen dos presiones en el ciclo básico de refrigeración por compresión: la de evaporación o de baja presión y la de condensación o de alta presión.

El refrigerante actúa como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador, donde es despedido a la atmósfera o al agua de enfriamiento, en el caso de sistemas enfriados por agua. Un cambio de estado líquido a vapor, y viceversa, permite al refrigerante absorber y descargar grandes cantidades de calor en forma eficiente.

El ciclo básico de refrigeración opera de la siguiente forma: el refrigerante líquido a alta presión es alimentado al tanque recibidor a través de la tubería de líquido, pasando por un filtro desecante al instrumento de control, que separa los lados de alta y de baja presión del sistema.

Existen varios instrumentos de control de flujo que pueden emplearse, pero en la Ilustración se considera únicamente la válvula de expansión, la cual controla la alimentación del refrigerante líquido al evaporador, y por medio de un pequeño orificio reduce la presión y la temperatura del refrigerante.

La reducción de presión en el refrigerante líquido provoca que éste hierva o se vaporice, hasta que el refrigerante alcanza la temperatura de saturación, correspondiente a la de su presión.

Conforme el refrigerante de baja temperatura pasa a través del evaporador, el calor del elemento a enfriar fluye a través de las tuberías del mismo hacia el refrigerante, haciendo que la acción de ebullición continúe hasta que el refrigerante se encuentre totalmente vaporizado.

La válvula de expansión regula el flujo a través del evaporador para mantener el sobrecalentamiento constante, para mantener la diferencial de temperatura que existe entre la temperatura de vaporización y el vapor que sale del evaporador. Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador varía, el bulbo de la válvula de expansión registra variación y actúa para modular la alimentación a través de la válvula de expansión, y así adaptarse a las nuevas necesidades. El vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a través de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor toma el vapor a baja presión y lo comprime aumentando, tanto su presión, como su temperatura.

El vapor caliente, al alcanzar una alta presión, es bombeado fuera del compresor a través de la válvula de descarga hacia el condensador. Conforme pasa a través de éste, el gas a alta presión es enfriado por algún medio externo. En sistemas enfriados por aire se usa generalmente un ventilador y un condensador aletado. En sistemas enfriados por agua se emplea por lo regular un intercambiador de calor refrigerado por agua.

Conforme el vapor del refrigerante alcanza la temperatura de saturación, correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se condensa y fluye al recibidor como líquido, repitiéndose nuevamente el ciclo

Calor de compresión.

Cuando se comprime el refrigerante en el cilindro del compresor, se aumenta la presión y se reduce el volumen. El calor de compresión se define como: “el calor agregado al gas refrigerante que resulta de la energía de trabajo usado en el compresor”. El calor que debe desechar el condensador se llama calor de rechazo y consiste en el total de calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, en el compresor, y cualquier calor agregado al sistema debido a ineficiencias del motor (este último aplicable únicamente a compresores herméticos y semiherméticos). Para motocompresores herméticos y semiherméticos, el calor de rechazo es además el que produce la carga de refrigeración.

Efecto del cambio de la presión en la succión.

El volumen específico del gas de retorno al compresor aumenta, si se mantienen constantes todos los factores, al reducirse la presión de succión. La disminución de la densidad del gas de succión merma el peso del refrigerante bombeado, con la consecuente pérdida de capacidad del compresor. Por lo tanto, para obtener la mayor capacidad y economía de operación, es de gran importancia que el sistema de refrigeración opere a las presiones de succión más altas posibles.

Efecto del cambio de la presión de la descarga.

Un aumento en la presión de descarga provoca un incremento en la relación de compresión, con la resultante pérdida de eficiencia volumétrica. Aun cuando la pérdida de capacidad no es tan grande como la causada por una disminución en la presión de succión equivalente, será de todas maneras bastante perjudicial.

3. MATERIAL DE LABORATORIO

MODULO DE REFRIGERACION

PARTES CARACTERISTICASMotocompresor 1/6 HpEvaporador De superficie de placaCondensador Enfriado por aireManometro de alta 0-35 Kg/cm²Manometro de baja

0-17 Kg/cm²

Tubo capilar 0.008 mTubos de cobre ¾ y 1/8 de pulg.Refrigerante R-12 250 gr.Aceite Aceite mineral

alquilbencenicoPlataforma Mapresa con alma de hierro

4. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN

Colocar la llave termo magnética en ON Seleccionar el dispositivo de control de la válvula inversora para frio Verificar esta selección observando las lámparas de señalización Manipular el termostato hacia la derecha para encender el equipo y a

su vez para fijar la temperatura referencial del evaporador Manipular el termostato hacia la izquierda hacia la posición OFF para

apagar el equipo Esperar aproximadamente 5 minutos para seguir con el siguiente

paso Colocar la llave termo magnética en ON Seleccionar el dispositivo de control de la válvula inversora para calor Verificar esta selección observando las lámparas de señalización

(rojo, verde) Manipular el termostato hacia la derecha para encender el equipo y

asu vez para fijar la temperatura referencial del evaporador

Manipular el termostato hacia la izquierda hacia la posición OFF para apagar el equipo

Bajar la llave termo magnética hacia la posición OFF

NOTA: Por ningún motivo maniobrar el selector de la válvula inversora de frio-calor estando en funcionamiento el equipo, ya que esto podría provocar una sobre presión en el sistema y deteriorar el compresor (Esperar el tiempo recomendado de aprox. 5 minutos)

5. PROCESAMIENTO DE DATOS

EVAPORADOR

MANOMETRO DE BAJA PRESION

COMPRESOR

TABLERO DE MANIPULACION

MANOMETRO DE ALTA PRESION

LATERAL DEL EQUIPO DE REFRIGERACION

6. CONCLUSIONES

Aprendimos los componentes básicos y esenciales de un sistema de refrigeración que son:

a) Un evaporador para absorber el calor hacia el refrigerante del sistema.

b) Un condensador para rechazar el calor del refrigerante del sistema.c) Un compresor para estabilizar las presiones necesarias para forzar el

calor a que fluya "al aumentar el diferencial de presión."d) Un dispositivo de medición de líquido para regular el flujo de

refrigerante y, en los procesos, para estabilizar los dos niveles de presión.

7. BIBLIOGRAFIA

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR – CONDITIONING ENGINEERS, INC. Refrigeration. Atlanta, G A 1994

THRELKELD, James L. Ingeniería del ámbito térmico. Madrid, Ed., Prentice / Hall Internacional, 1973

Edward G. Pita. "Acondicionamiento de Aire". C.E.C.S.A. Sexta reimpresión 2002.