Objetivos

- Comparar los ciclos con válvula expansión y tubo capilar.- Analizar los ciclos reales y teóricos del sistema de refrigeración

Fundamento teórico

Un sistema de refrigeración consiste en una máquina refrigeradora y una serie de dispositivos para aprovechar el frío "producido" (en realidad, la absorción de calor).El aparato más común es el frigorífico doméstico, en que la maquinaria (por compresión generalmente, pero también existen por absorción, funcionando con gas butano o con keroseno) consigue extraer calor de un armario cerrado cediéndolo en el ambiente de la cocina, con un nivel térmico (temperatura) más alto.

Sistemas de refrigeración ambiental

Se utilizan para bajar la temperatura de los ambientes habitables. Puede hacerse con

aparatos unitarios (llamados de ventana) que sirven para un solo local, aparatos partidos (split), en los que hay un aparato que contiene el compresor, el

condensador y la válvula, y que se sitúa en un lugar donde el ruido del compresor no moleste y pueda disipar fácilmente el calor, y otro, u otros, aparato/s con un evaporador y un ventilador, situado en los locales a enfriar.

refrigeración centralizada, en los que una máquina refrigeradora, produce agua fría, que se lleva por conducciones aisladas a unos aparatos terminales, donde se enfría y trata el aire.

Aparatos terminales

Se consideran aparatos terminales aquéllos en los que se cede el calor para distribuirlo en el ambiente. En el caso de la refrigeración son de dos tipos fundamentales: climatizador (llamado en la normativa española UTA, Unidad de tratamiento de Aire) y ventiloconvector (fan-coil). También puede hacer las funciones de climatizador, el propio evaporador de la máquina de producción de frío (en cuyo caso se conoce como de expansión directa).

Las funciones de estos aparatos son acondicionar el aire en cuanto a temperatura, limpieza y contenido de vapor de agua. El climatizador o la expansión directa funcionana muy bien en todos estos casos, pero el ventiloconvector no regula demasiado bien el contenido de humedad.

Tratamiento del aire

Humedad del aire

La capacidad del aire para absorber vapor de agua depende de la temperatura; a mayor temperatura mayor capacidad de absorción. La humedad relativa expresa la cantidad de vapor que contiene la unidad de volumen de aire respecto a la que sería capaz de contener si estuviera saturado y se mide en porcentaje. De modo que al bajar la temperatura aumenta la humedad relativa, que es lo que ocurre con el aire refrigerado. Sin embargo, cuando la temperatura es tan baja que llega a la saturación (100% de humedad relativa), se alcanza el punto de rocío y el vapor condensa. Por ello puede ocurrir que si la superficie del intercambiador que contiene el refrigerante (evaporador), se encuentra por debajo del punto de rocío, condensará parte del vapor en los tubos del evaporador, produciéndose por tanto una deshumidificación parcial de la corriente de aire, lo que se aprovecha para regular la humedad relativa del aire frío, que en caso contrario sería muy húmedo.

Recomendaciones de uso

Las temperaturas recomendadas por la legislación española (RITE: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) están en un campo de entre 20 y 26ºC. Generalmente unos 25...26ºC en verano y unos 20ºC en invierno.

En cuanto a la humedad, se recomiendan valores entre 40 y 60% de humedad relativa.

No dirigir la corriente de aire frío directamente hacia los usuarios. Es importante una revisión de filtros al menos cada 6 meses para un correcto

funcionamiento del equipo. En el coche es conveniente después de usar la refrigeración poner un rato la

calefación para evaporar la humedad formada por el aire frío y evitar así que se formen hongos y bacterias. Esta práctica evita el "olor a pies" de los aires acondicionados de coche.

También es aconsejable poner el aire acondicionado del coche con regularidad, para evitar que pierdan la carga de refrigerante. Esto es debido a que los compresores de coche no son del todo herméticos y pierden refrigerante si no se lubrican con regularidad.

Aire acondicionado

El acondicionamiento de aire es el proceso más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados y consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad y limpieza (renovación, filtrado). Si no se trata la humedad, sino solamente la temperatura, podría llamarse climatización.

Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y los centralizados.

Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque a menudo no del todo). Los segundos tienen un/unos acondicionador/es que solamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de un sistema centralizado.

En este último caso, la producción de calor suele confiarse a calderas que funcionan con combustibles. La de frío a máquinas frigoríficas, que funcionan por compresión o por absorción y llevan el frío producido mediante sistemas de refrigeración.

Refrigeración

En 1902 Willis Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna y al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado, las del aire acondicionado y desarrolló el concepto de climatización de verano.

Por esa época un impresor neoyorquino tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel, obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema: diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la Historia.

Durante aquellos años, el objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial con máquinas que permitieran el control de la temperatura y la humedad. Los primeros en usar el sistema de aire acondicionado Carrier fueron las industrias textiles del sur de Estados Unidos. Un claro ejemplo, fue la fábrica de algodón Chronicle en Belmont. Esta fábrica tenía un gran problema. Debido a la ausencia de humedad, se creaba un exceso de electricidad estática haciendo que las fibras de algodón se convirtiesen en pelusa. Gracias a Carrier, el nivel de humedad se estabilizó y la pelusilla quedo eliminada.

Debido a la calidad de sus productos, un gran número de industrias, tanto nacionales como internacionales, se decantaron por la marca Carrier. La primera venta que se realizó al extranjero fue a la industria de la seda de Yokohama en Japón en 1907.

En 1915, empujados por el éxito, Carrier y seis amigos reunieron 32.600 dólares y fundaron “La Compañía de Ingeniería Carrier”, cuyo gran objetivo era garantizar al cliente el control de la temperatura y humedad a través de la innovación tecnológica y el servicio al cliente. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la historia de la industria: “la enfriadora centrífuga”. Este nuevo sistema de refrigeración se estrenó en 1924 en los grandes almacenes Hudson de Detroit, en los

cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para enfriar el sótano y posteriormente el resto de la tienda. Tal fue el éxito, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos, fábricas, hoteles y grandes almacenes. La prueba de fuego llegó en 1925, cuando a la compañía Carrier se le encarga la climatización de un cine de Nueva York. Se realiza una gran campaña de publicidad que llega rápidamente a los ciudadanos formándose largas colas en la puerta del cine. La película que se proyectó aquella noche fue rápidamente olvidada, pero no lo fue la aparición del aire acondicionado. En 1930, alrededor de 300 cines tenían instalado ya el sistema de aire acondicionado. A finales de 1920 propietarios de pequeñas empresas quisieron competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar máquinas pequeñas. En 1928 se fabricó un equipo de climatización doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire y cuya principal aplicación era la doméstica, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Hasta después de la Segunda Guerra Mundial las ventas de equipos domésticos no empezaron a tener importancia en empresas y hogares.

Máquina frigorífica

Se basa en la propiedad física de que la evaporación de un líquido o la dilatación de un gas absorben calor, y la compresión o condensación desprenden calor.

Una máquina frigorífica diseñada para modificar la temperatura del medio aplica el denominado ciclo de refrigeración.

Ciclo de refrigeración

Este ciclo obedece a la ley de los gases perfectos y la relación presión-temperatura:

P·V = n·R·T

donde P es la presión, V es volumen, n es el numero de moles, R es la constante universal de los gases y T la temperatura.

A fin de circular el fluido refrigerante y optimizar su absorción de calor se utiliza un compresor:

1. El compresor absorbe el refrigerante como un gas a baja presión y baja temperatura y lo mueve comprimiéndolo hacia el área de alta presión, donde el refrigerante es un gas a alta presión y alta temperatura.

2. Al pasar por el condensador el calor del refrigerante se disipa al ambiente. El refrigerante se licua y sigue a alta presión).

3. De ahí, pasa a través del dispositivo regulador de presión que separa las áreas de alta presión y baja presión mediante una reducción de la sección de paso. Al bajar la presión, la temperatura de saturación del refrigerante baja, permitiendo que absorba calor.

4. Ya en el lado de baja presión, el refrigerante llega al evaporador donde absorbe el calor del ambiente y se evapora. De ahí pasa otra vez al compresor cerrando el ciclo.

Elementos

Los elementos mínimos son:

Refrigerante : es un fluido con propiedades especiales de punto de evaporación y condensación. Su función consiste en, mediante los cambios de presión y temperatura inducidos, absorber calor en un lugar y disiparlo en otro, principalmente mediante un cambio de líquido a gas y viceversa.

Compresor : es un dispositivo mecánico que bombea y comprime el fluido refrigerante, creando una zona de alta presión y generando el movimiento del refrigerante en el sistema.

Condensador : generalmente es un serpentín de cobre con laminillas de aluminio a modo de disipadores de calor. Es un intercambiador y su función consiste en liberar el calor del refrigerante al ambiente.

Evaporador : también es un serpentín, pero su presentación varía. En los equipos de acondicionamiento de aire es muy similar al condensador, pero en los refrigeradores domésticos suele ir oculto en las paredes del congelador. Es otro intercambiador y su función es que el refrigerante absorba calor del área refrigerada.

Dispositivo regulador de presión: según el caso puede ser una válvula de expansión o un tubo capilar. Su función consiste en controlar el paso del refrigerante desde al área de alta presión a la de baja presión.

Elementos usualmente anexos:

Termostato: su función es apagar o encender automáticamente el compresor a fin de mantener el área refrigerada dentro de un campo de temperaturas.

Ventilador: su función es aumentar el flujo de aire para mejorar el intercambio de calor. Generalmente está en el área del condensador. Según el tipo de dispositivo que sea, puede haber o no en el área del evaporador.

Otros elementos no siempre presentes son:

Filtro de humedad, la humedad produce obstrucciones y problemas en el lubricante del compresor.

Depósito de refrigerante líquido, usualmente en equipos "Bomba de calor"

Válvula de cuatro vías, que revierte el flujo de refrigerante para convertir el equipo en productor de frio o calor, según la posición de la misma.

Elementos de control y regulación, como son presostatos y sondas de temperatura.

Válvulas antiretorno, que evitan que el refrigerante pueda circular en sentido inverso.

Unidades de medida

Hay que distinguir, en la potencia, dos magnitudes: potencia absorbida (en energía mecánica, sea con motor eléctrico, con motor de explosión o con turbina) y potencia de enfriamiento o de refrigeración

En el Sistema Internacional de Unidades (SI),la potencia de los equipos frigoríficos se mide en vatios (W) o en múltiplos de sus unidades.

En el Sistema técnico de unidades se utiliza para la potencia de enfriamiento la caloría/hora, aceptada en un anexo del SI, aunque a menudo se llama frigoría/hora que tiene la misma definición que la caloría/hora y la única diferencia es que se emplea para medir el calor extraído, no el aportado.

En la práctica comercial americana, la potencia de refrigeración se mide en "toneladas de refrigeración", o en BTUs.

Válvula de expansiónCuando el artículo esté corregido, borra esta plantilla, por favor. Es un tipo de sistema de expansión (un elemento de las máquinas frigoríficas por compresión) cuya función es doble:

1.- En su interior se produce una expansión del fluido frigorífico que disminuye de temperatura y de presión. El fluido frigorífico alcanza la temperatura adecuada para poder evaporarse en el siguiente elemento de la máquina frigorífica: El evaporador.

2.- Por otra parte, la válvula de expansión regula el caudal de fluido que circula por el circuito de forma que se mantengan la presiones y temperaturas adecuadas de condensación y evaporación.

Otros tipos de sistemas de expansión son el restrictor y el capilar.

Enfriador de aguaEl enfriador de agua es un caso especial de máquina de refrigeración cuyo cometido es enfriar un medio líquido, generalmente agua. En modo bomba de calor también puede servir para calentar ese líquido. El evaporador tiene un tamaño menor que el de los enfriadores de aire, y la circulación del agua se asegura desde el exterior.

Son sistemas muy utilizados para acondicionar grandes instalaciones, edificios de oficinas y sobre todo aquellas que necesitan simultaneamente climatización y agua caliente sanitaria (ACS), por ejemplo hoteles y hospitales.

El agua enfriada, se usa posteriormente para:

Refrigerar maquinaria industrial. Producir agua para duchas y calentar piscinas. Acondicionar el aire de un recinto. El agua se hace pasar por unos

intercambiadores conocidos como Fancoils.

Elementos adicionales

La máquina enfriadora de agua necesita de elementos adicionales que le permitan funcionar:

Redes de tubería y colectores. Distribuyen el agua enfriada hacia donde se necesita.

Bombas de circulación. Generalemente dos en paralelo para asegurar que almenos una funciona.

Vaso de expansión. Compensan la dilatación de la red de tubería. Elementos de control, presostatos y sondas de temperatura. Depósito de inercia. Válvula de llenado y válvula de vaciado. Decantadores.

Refrigeración por absorción

El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear como sustancia absorbente (disolvente) es el agua y la absorbida (soluto) es el amoniaco.

Más en detalle, en el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante), en un circuito a baja presión, se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, que refrigerará ambientes o cámaras. Acto seguido el vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada. Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo. Como los sistemas de compresión, el sistema requiere una torre de enfriamiento para disipar el calor sobrante.

Ventajas e inconvenientes

El rendimiento, medido por el COP (coefficient of performance, en la normativa española, por el CoDeRE, Coeficiente De Rendimiento Energético), es menor que en el método por compresión (entre 0,8 y 1,2 frente a 3 y 5,5 ), sin embargo en algunos casos compensa, cuando la energía proviene de una fuente calorífica más económica, incluso residual o un subproducto destinado a desecharse.

Un ejemplo de esta situación podría ser una instalación de aire acondicionado solar: si se utilizasen placas fotovoltaicas solo se podría utilizar un 15-20% de electricidad en comparación con unos paneles solares térmicos que podrían aprovechar hasta el 90% de la energía solar recibida, y a un precio de instalación mucho más reducido.

El conjunto completo paneles solares-absorción tendría un COP de entre 0,72 y 1,08 y el de compresión entre 0,54 (18% paneles y COP de 3, muy habitual) y 1,1 (20% paneles y COP de 5,5)

También hay que tener en cuenta que el sistema de compresión, utiliza normalmente la energía eléctrica, y cuando ésta llega a la toma de corriente lo hace con un rendimiento inferior al 25% sobre la energía primaria utilizada para generarla, lo que reduce mucho las diferencias de rendimiento (0,8 frente a 1,37).

Al calor aportado al proceso de refrigeración se le suma el calor sustraído de la zona enfriada. Con lo que el calor aplicado puede volverse a reutilizar.Sin embargo, el calor residual se encuentra a una temperatura más baja (a pesar de que la cantidad de calor sea mayor), con lo que sus aplicaciones pueden reducirse.

Los aparatos generadores por absorción son más voluminosos y requieren inmovilidad (lo que no permite su utilización en automóviles, lo que sería muy conveniente como ahorro de energía puesto que el motor tiene grandes excedentes de energía térmica, disipada en el radiador).

LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN.

El objetivo de cualquier motor es producir movimiento a expensas de una fuente de energía externa. En los motores de combustión interna, según se ha visto en capítulos anteriores, esto se logra quemando combustible. Por naturaleza, un motor en funcionamiento implica una gran cantidad de fricción entre sus componentes móviles y una elevada temperatura debida a la combustión y a la propia fricción. La fricción, junto con el calor producido por la misma, puede provocar el agarrotamiento de los componentes y un rápido desgaste de los mismos, mientras que el calor residual de la combustión puede elevar tanto la temperatura que produzca la fusión de las piezas metálicas. En ambos casos, el efecto es la inutilización del motor. Para mantener fricción y calor en unos valores razonables, los motores disponen de sistemas de lubricación y de refrigeración.

Refrigeración.

Debido a la incapacidad del motor para convertir en trabajo útil toda la energía liberada por la combustión, existe una gran cantidad de calor residual producto de dicha combustión, parte de la cual se elimina con los gases, quedando una parte que debe ser disipada para evitar un calentamiento excesivo del motor. De esa parte, una pequeña cantidad se transfiere al lubricante y la restante (hasta cierto límite) se disipa gracias al sistema de refrigeración.

Mientras que en casi todos los automóviles el exceso de temperatura se elimina gracias a un líquido refrigerante que circula a través del motor y se enfría en un radiador, la mayoría de los motores de los aviones ligeros están refrigerados por aire, porque esto evita cargar con el peso del radiador y el refrigerante, y que un fallo del sistema de refrigeración o la pérdida del líquido refrigerante provoquen una avería general del motor.

En el proceso de refrigeración por aire, este penetra en el compartimento del motor a través de aberturas en la parte frontal del avión. El aire no circula de forma aleatoria sino que gracias a la disposición del compartimento, es forzado a fluir rápidamente, sobre todo hacia los cilindros; unas finas aletas de metal en la parte exterior de los cilindros aumentan la tasa de transferencia de calor exponiendo mayor superficie metálica al aire en circulación; cumplida su función, el aire caliente sale de nuevo a la atmósfera. Las aleaciones ligeras utilizadas en la construcción de los motores modernos aportan una buena ayuda en el proceso de refrigeración

Algunos aeroplanos tienen unos dispositivos conocidos como aletas de refrigeración (cowl flaps), mediante las cuales el piloto controla de forma manual la temperatura del motor en las distintas fases de vuelo. Si la temperatura es baja, el piloto puede cerrar las aletas restringiendo la circulación de aire; si por el contrario es alta, puede abrirlas para incrementar el flujo de aire de refrigeración. Lo habitual es que en operaciones a baja velocidad y mucha potencia, tales como despegues y ascensos, las aletas se abran mientras que con alta velocidad y baja potencia, tal como en vuelo de crucero o descensos, las aletas se cierren.

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

    Psi C PSI C Psi C PSI C  CE P1 T1 P2 T2 P3 T3 P4 T4

EXPANSIÓN AA 120 46.7 120 32.9 44 8 40 22.4  AM 124 53.6 122 33.7 42 6.6 38 20.7  MA 158 62 158 42.7 48 9.7 44 22.4  MM 100 67.1 160 43.6 47 8.8 42 21.2

TUBO AA 102 45.5 102 27.8 15 10.8 12 23CAPILAR AM 104 44.8 103 28.1 16 -11.1 13 23.5

  MA 119 52.3 120 33.6 20 -6.6 19 23.9  MM 122 53.6 121 33.8 21 -6.9 20 24

      condensador     evaporador      CE m Tantes Tdespues anemometro Tantes Tdespues anemometro

EXPANSIÓN AA 0.9 23 29 3.5 22.5 18.5 3.3  AM 0.8 24 31 2.6 22 14 0.8  MA 1.7 24 34 1 23 18 2.8  MM 1.7 24 39 1.3 24 14 0.9

TUBO AA 0.3 23.2 25.1 3 23.5 16.5 3.5CAPILAR AM 0.5 23.5 25.8 3.4 22.5 17 1.1

  MA 0.6 23.9 30.1 1.1 22 16 3.9  MM 0.5 24 31.7 1.1 23 18 1.3

  ventiladores VACIO    SISTEMA      V A W V A W

EXPANSIÓN 110 2 125 9.58 105 780  110 1.9 125 9.56 105 778  110 1.8 140 10.9 103 920  110 1.2 140 11 105 945

TUBO 110 2 125 8 105 550CAPILAR 110 1.9 125 8 105 580

  110 1.8 140 8 105 620  110 1.2 140 8.3 105 620

CALCULOS Y RESULTADOSPara realizar los cálculos se realizo el uso de diagramas del refrigerante es este caso particular del amoniaco R717

Se obtuvieron los siguientes valoresentalpias h1 h2 h3 h4

AA 1556.5 288.4 288.4 1449.1AM 1573 290.9 290.9 1447.5MA 1583.4 330.6 330.6 1452MM 1614.1 332.6 332.6 1450.6AA 1560.2 265 265 1412.1AM 1557.7 266.4 266.4 1414.5MA 1571.4 288.4 288.4 1426.2MM 1573.7 289.7 289.7 1427.8

Para obtener los coeficientes de COP se usaron las siguientes formulas:

donde Ta: temperatura en alta Tb: temperatura en baja

donde :h: entalpia en el punto indicado

donde: m: flujo masico Ws: potencia del sistema Wvacio: potencia de vacio

Luego los resultados de los cálculos son los siguientes:

    COP teórico COP ciclo COP planta

EXPANSIÓN AA 0.61809045 10.8072626 16.5098857

  AM 0.68728522 9.21593625 14.7600817

  MA 0.69340974 8.53424658 23.9615385

  MM 0.72899729 6.83792049 23.1469979

TUBO AA 0.53888131 7.74544227 8.43455882

CAPILAR AM 0.82990398 8.0174581 13.1421703

  MA 0.79860303 7.83608815 14.8151042

  MM 0.80434783 7.80054832 12.3491753

Los datos obtenidos podemos representarlos gráficamente viendo el proceso:

VALVULA DE EXPANSIÓN

A-A

VALVULA DE EXPANSIÓN

A-M

VALVULA DE EXPANSIÓN

M-A

VALVULA DE EXPANSIÓN

M-M

TUBO CAPILARA-A

TUBO CAPILAR

A-M

TUBO CAPILARM-A

TUBO CAPILARM-M

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

De los datos gráficos realizados podemos observar que la diferencia de presiones entre alta y baja en los procesos con válvula de expansión son menores que los que se realizaron con tubo capilar.

En todos los procesos el cambio de entalpía en el evaporador es mayor que en el compresor lo que determina de forma clara que el COP del ciclo sea siempre mayor que la unidad y además sea bastante mayor.

Se han realizado los cálculos y graficas guiándonos principalmente por las presiones tomadas en los datos debido a que el termómetro por ser el unico y estar en constante variación de medidas para cada punto no es confiable por que no tenia una estabilidad.