Aire acondicionado y refrigeración

Introducción

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.

Actualmente se ha incrementado en México, el uso
del aire acondicionado por medio de las unidades paquete, las
cuales están específicamente calculadas sobre la
carga térmica disponible

Ciclo de
refrigeración y unidades

La refrigeración es una de las principales
áreas de la termodinámica, es la transferencia de
calor de una región de temperatura inferior hacia una
temperatura superior. Los dispositivos que producen
refrigeración se llama refrigeradores y los ciclos en los
que operan se llama ciclos de refrigeración.

Existen varios sistemas de refrigeración que
se utilizan en la práctica para llevar a cabo tal
función:

a) Sistemas de refrigeración
mecánica.

b) Sistemas de refrigeración por
absorción. c) Sistemas de refrigeración por
vacío.

d) Sistemas de refrigeración por
gas.

El ciclo de Carnot ha servido para establecer los
criterios de operación de los ciclos de potencia: el
estudio del ciclo de Carnot invertido proporcionará la
mayor parte de las limitaciones termodinámicas y los
criterios de operación de los ciclos de
refrigeración.

I. CICLO DE CARNOT
INVERTIDO

Se recordará que el ciclo de Carnot se compone de
cuatro (4) procesos reversibles: dos (2) de ellos
isotérmicos y dos (2) isoentrópicos. Para el ciclo
invertido, el diagrama de flujo de energía es como el que
se muestra en la Figura 1. Nótese que en este caso el
trabajo de la máquina sirve para tomar calor del sumidero
a T2 y desecharlo a T1. El diagrama T-S para el ciclo invertido
se muestra en la Figura 2. Y las áreas se interpretan como
varios aspectos de la energía correspondientes a la Figura
1.

Si se está interesado en extraer la mayor
cantidad de calor del sumidero, es deseable hacerlo con la menor
cantidad posible de suministro de energía al sistema. Este
modo de operación es equivalente a la
operación con la máxima eficiencia.

Se establece a continuación un hecho
significativo para el ciclo de refrigeración. Para el
ciclo de potencia directo, se estaba interesado en la cantidad de
trabajo que se obtenía de un suministro de
calor dado, y esta relación se llamaba la eficiencia del
ciclo de potencia. Para el ciclo invertido se tiene
interés en la cantidad de trabajo requerido para extraer
una cantidad de calor dada de la fuente de baja
temperatura.

Esta relación del efecto de refrigeración
a la entrada del trabajo se conoce como coeficiente de
operación (COP). Así;

Para el ciclo de Carnot invertido mostrado
en las Figuras el calor extraído de la fuente a T2 es T2
(S2-S1) y el trabajo suministrado es (T1-T2) (S2-S1):

Nótese que el COP para un ciclo de
refrigeración ideal es mayor que la unidad. Resumiendo lo
anterior,

El COP de un ciclo de Carnot es función
sólo de las temperaturas superior e inferior del ciclo y
aumenta en forma inversamente proporcional a la diferencia entre
las temperaturas superior e inferior. Estas conclusiones son
independientes del fluido de trabajo del ciclo.

La ecuación 2 indica que, para el COP
máximo, T2 debe conservarse de modo que sea mínima.
En la mayor parte de los casos el sumidero de calor es la
atmósfera a algún cuerpo de los alrededores o el
agua.

Cualquier desviación del ciclo real de los
procesos ideales previstos para el ciclo de Carnot
conduce a valores del COP menores que el ideal.

2.- CICLO POR COMPRESIÓN DE
VAPOR.

Aún cuando el ciclo de Carnot invertido es un
estándar con el cual se puede comparar todos los ciclos
reales, no es un dispositivo práctico para
propósitos de refrigeración. Sin embargo,
sería muy deseable aproximarse a los procesos de
adición de calor a temperatura constante y de
expulsión de calor a temperatura constante, con objeto de
lograr el máximo coeficiente de operación posible.
Esto se logra en buena medida con un dispositivo de
refrigeración según el Ciclo de Compresión
de Vapor.

Del mismo modo como se encontró que era posible
invertir el Ciclo de Carnot es posible, teóricamente,
invertir el ciclo de Rankine. En la Figura 3 se muestra un ciclo
elemental de compresión de vapor, y en la Figura 4 su
correspondiente diagrama T-S.

Figura 3. Ciclo simple por compresión de
vapor. Figura 4. Ciclo simple por compresión de
vapor

El ciclo se compone de una expansión del fluido
desde el punto de saturación hasta la región
húmeda (trayectoria (1) a (2)). Durante este proceso
(estrangulamiento), la entalpía permanece en esencia
constante. Sin embargo, la presión y la temperatura del
fluido de trabajo disminuyen, y el fluido se convierte en una
mezcla de líquido y vapor en el estado (2). El fluido de
trabajo enfriado (refrigerante) pasa ent onces al evaporador y
ahí (trayectoria de (2) a (3)) entra el calor de la
región o del fluido a enfriar. Esta parte del proceso se
lleva a cabo a temperatura y presión constantes
(idealmente) dado que el fluido de trabajo está en la
región húmeda. La siguiente parte del ciclo
(trayectoria de (3) a (4)) es una fase de compresión. Si
la compresión continúa desde el punto (3) hasta el
punto (4) en la Figura 4 la refrigeración comenzará
del punto del vapor saturado y luego continuará hacia la
región de vapor sobrecalentado. Esta trayectoria se llama
compresión seca. Se muestra una trayectoria alterna (3a) a
(4a), en donde el refrigerante está en un inicio
"húmedo" y se lleva apenas a las condiciones de
saturación mediante el proceso de compresión. Esta
trayectoria se ha denominado compresión húmeda por
razones obvias. De las consideraciones del ciclo y del diagrama
T-S puede demostrarse que es más eficiente operar el ciclo
con compresión húmeda. Sin embargo, la mayor parte
de los ciclos de compresión de vapor operan con
compresión seca, puesto que la pérdida de
eficiencia es pequeña, en tanto que los problemas
prácticos del diseño del compresor y la
operación se simplifican en forma considerable. En la
última trayectoria del ciclo (trayectoria de (4) a (1) se
desecha calor esencialmente a presión constante hasta que
se alcanza la línea líquido saturado. Una vez
más el diagrama T-S muestra un camino alterno ( ) a (2a).
En la práctica sería difícil alcanzar
justamente el punto (1) para todas las cargas del
sistema, y cabría esperar un poco más de
enfriamiento hasta el punto (1a).

Es posible analizar el sistema como sigue:

Trayectoria (1) a (2),
estrangulamiento: h1 = h2

Trayectoria (2) a (3), evaporador (efecto
enfriador):qenf. = h3 – h2 = h3 – h1

Trayectoria (3) a (4),
compresor:Trabajo (W) = h4 – h3

(para el ciclo de refrigeración, el
trabajo en el ciclo se considera positivo) Trayectoria (4) a (1),
condensador (extracción de calor):

Qext. = h4 – h1

De las cantidades señaladas, se observará
que la energía extraída en el condensador debe ser
igual numéricamente a la ganancia de calor en el
evaporador más el trabajo del compresor. Sin embargo, la
capacidad de refrigeración es sólo el efecto
evaporador.

La definición del COP (en términos de este
ciclo) es la relación del calor absorbido en el evaporador
al trabajo neto que entra al ciclo. En unidades de calor
compatibles esto puede escribirse como;

En una situación real, el ciclo de
refrigeración difiere del ciclo ideal en varias formas. La
presencia de la fricción da por resultado tantos
caídos de presión a lo largo de todo el ciclo como
que el compresor sea irreversible. Además, se debe tener
en cuenta el hecho de que hay transferencia indeseable de calor.
Como no es posible controlar con exactitud el estado del fluido
que sale del evaporador que se considera en el ciclo ideal. Las
irreversibilidades en el flujo a través del compresor
llevan a un au mento en la entropía del fluido durante el
proceso y un incremento concomitante de la temperatura final con
respecto a la del caso ideal. Si las pérdidas de calor del
compresor son suficientemente grandes, la entropía real
del fluido a la salida del compresor puede ser menor que la de la
entrada. Aun cuando la caída de presión en el
condensador sea pequeña, el fluido probablemente
saldrá del condensador como un líquido subenfriado
y no como el líquido saturado que se supone en el ciclo
ideal. Este es un efecto benéfico, ya que la entape baja
que resulta del efecto de subenfriamiento permite que el fluido
absorba una mayor cantidad de calor durante el proceso de
evaporación.

La evaluación de ciertos parámetros de
interés en los ciclos de refrigeración se ha basado
en las temperaturas de saturación del refrigerante en el
evaporador y en el condensador. No obstante, la temperatura que
desea mantener en la región fría como la
temperatura del agua o el aire de enfriamiento disponible
para emplearse en el condensador. En la Figura 5. Se muestra un
diagrama esquemático de un sistema de refrigeración
de un refrigerador casero.

Figura 5.

El condensador se dispone físicamente de modo que
el aire del local fluya a través del condensador por
convección natural. La válvula de expansión
es un tubo capilar grande y el evaporador se muestra alrededor de
la parte externa del compartimiento congelador dentro del
refrigerador. Las presiones que se muestran en la Figura 5. Son
típicas cuando se usa dióxido de azufre como
refrigerante. A pesar que el compresor mostrado de manera
esquemática es una unidad reciprocante, existen unidades
giratorias pequeñas, eficientes y económicas para
refrigeradores domésticos.

Partiendo del punto 1 de la Figura 5., el refrigerante
en fase vapor entra al compresor a baja presión y
temperatura a p2 y t2. La temperatura de saturación
correspondiente a p2 debe ser algún valor por encima de la
temperatura atmosférica, o por encima de la temperatura
del agua de enfriamiento que puede usarse en el condensador.
Saliendo del compresor en la condición 2, el vapor entra
al condensador donde se condensa hasta la fase líquida a
alguna temperatura t3. Después del condensador, el
líquido entra a una válvula de expansión,
que separa las presiones de alta y baja presión y pasa a
través de la válvula en un proceso de
estrangulamiento con h3 = h4. El refrigerante entra entonces al
evaporador (o compartimiento congelador) donde hierve debido a
que recibe calor del refrigerador y su contenido. El vapor del
evaporador entra al compresor y el ciclo vuelve a
comenzar.

El núcleo de cualquier sistema de
refrigeración es el compresor.

3._ SISTEMAS DE COMPRESIÓN DE
VAPOR EN CASCADA Y EN ETAPAS MÚLTIPLES.

Existen variaciones del ciclo básico de
refrigeración por compresión de vapor. La primera
es el ciclo en cascada, el cual permite el empleo de un ciclo de
compresión de vapor cuando la diferencia de temperaturas
entre el evaporador y el condensador es muy grande.

La segunda variación incluye el uso de
compresión en etapas múltiples con
interenfriamiento, lo que reduce el trabajo de
compresión.

3. a.) Ciclo en Cascada.

Existen aplicaciones industriales que exigen
temperaturas moderadamente bajas. Esto es especialmente cierto
cuando se desean temperaturas en el intervalo de -25 a -75
ºC (-10 a -100 ºF). En general, por
desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresión
de vapor para obtener estas temperaturas moderadamente bajas. La
diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es
en este caso muy grande. En consecuencia, la variación de
la temperatura de saturación con respecto a la
presión de vapor de un solo refrigerante no
cumpliría con los valores deseados para el evaporador y el
condensador. Para superar esta dificultad sin abandonar la
compresió n de vapor, se emplea un sistema de cascada. Un
ciclo en cascada es simplemente una disposición en serie
de ciclos simples de compresión de vapor, de tal manera
que el condensador de un ciclo a temperatura baja entregue calor
al evaporador de un ciclo a te mperatura superior, como se ven en
la Figura 6.a. Aún cuando ahí se muestran
sólo dos unidades, el empleo de tres o cuatro unidades en
serie es práctico, en caso necesario. Normalmente se
utiliza un refrigerante distinto en cada uno de los ciclos, con
el objeto de satisfacer los requisitos de cada intervalo de
temperatura y presión. Al elegir los dos refrigerantes en
la Figura 6. por ejemplo, es importante que la temperatura del
estado triple del fluido en el ciclo B sea menor que la
temperatura crítica del fluido en el ciclo A.

En la Figura 6-b se muestra el diagrama T-S de un
sistema ideal en cascada doble que emplea el mismo refrigerante
en cada ciclo. (Si se utilizan dos refrigerantes distintos en un
sistema en cascada, deben utilizarse también dos diagramas
T-S diferentes). A pesar de no ser la práctica
común, como se hizo ya la observación, el empleo
del mismo refrigerante en cada ciclo permite examinar las
virtudes de un sistema en cascada. Las posiciones de
los ciclos A (1-2-3-4) y B(5-6-7-8) se indican con claridad en la
figura. En general los gastos másicos de los refrigerantes
en los dos ciclos no son los mismos, sean los refrigerantes
iguales o distintos. El gasto másico (m) está
determinado por las toneladas de refrigeración requeridas
en el evaporador del ciclo A. Además, la rapidez de
transferencia de calor desde el condensador del ciclo A debe ser
igual a la rapidez de transferencia de calor del fluido en el
evaporador del ciclo B, si el intercambiador de calor de todo el
conjunto está bien aislado. Un balance de energía
para el intercambiador de calor que liga el condensador con el
evaporador revela que; MºA * (h2 – h3) =
mºB * (h5 – h8) Sistema de Cascada

Por tanto, el cociente de los gastos másicos en
cada ciclo está determinado por los cambios de
entalpía de cada fluido a su paso por el intercambiador de
calor.

Figura 6.ayb

3. b.) Compresión de Vapor en Etapas
Múltiples.

Otra modificación del ciclo de
refrigeración por compresión de vapor incluye la
compresión en etapas, múltiples con enfriamiento
intermedio (interenfriamiento), para disminuir la entrada de
trabajo.

En la Figura 7.a. muestra un esquema de la
compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio
regenerativo. El líquido que sale del condensador se hace
pasar por un estrangulamiento (proceso 5-6) hacia una
cámara separadora mantenida a una presión entre la
del evaporador y la del condensador. Todo el vapor separado del
líquido en la cámara separadora se transfiere a una
cámara de mezclado, donde se mezcla íntimamente con
el vapor que sale del compresor a baja presión en el
estado 2. La cámara de mezclado actúa como un
interenfriador regenerativo en el sentido de que enfría el
vapor que sale del compresor de presión baja antes de que
la mezcla total entre en la etapa de presión alta del
compresor en el estado 3. El líquido saturado de la
cámara separadora se estrangula hasta la presión
del evaporador en el estado 9.

El proceso de compresión en dos etapas con
interenfriamiento regenerativo se muestra en el diagrama T-S de
la Figura 7.b. se ha supuesto que la compresión es
isentrópica. Aún cuando circula el mismo
refrigerante en los dos circuitos del sistema total, los gastos
másicos en esos circuitos no son los mismos. Con el
propósito de analizar el sistema, es conveniente suponer
que circula una masa unitaria en uno de los circuitos, siendo
arbitraria la elección. Supóngase que la masa
unitaria pasa a través de los estados

3-4-5-6 circuito de presión mayor. La
fracción del vapor formado en la cámara separadora
es la calidad X del fluido en el estado 6 de la Figura 7.b., y es
ésta la fracción del flujo del condensador que pasa
por la cámara de mezclado, proveniente de la cámara
separadora. La fracción de líquido formado es
(1-X), y es la fracción del flujo total que pasa a
través del evaporador. El valor de la entalpía en
el estado 3 se puede determinar a partir de un balance de
energía para la cámara de mezclado en condiciones
adiabáticas.

Despreciando los efectos de la energía
cinética se halla que; Xh7 + (1-X).h2=1(h3)

Donde h3 es la única
incógnita. El efecto de refrigeración por unidad de
masa a través del condensador es;

q refrig. = (1 – X) * (h1 –
h9)

La entrada total de trabajo en el compresor
por unidad de masa a través del condensador es la suma de
los dos términos de las dos etapas, es decir;

Wcomp. = (1 – X)*(h2-h1) +1*(h4 –
h3)

El COP del ciclo de compresión de
vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo
sigue estando definido como q refrig. /Qcomp.

Figura 7.b.

Figura 7. Esquema del equipo y diagrama Ts de un
ciclo de refrigeración por compresión de vapor con
dos etapas, con interenfriamiento regenerativo.

REFRIGERANTES

Un refrigerante: es un producto químico
líquido o gaseoso, fácilmente licuable, que es
utilizado como medio transmisor de calor entre otros dos en una
máquina térmica. Los principales usos son los
refrigeradores y los acondicionadores de aire.

El principio de funcionamiento de algunos sistemas de
refrigeración se basa en un ciclo de refrigeración
por compresión, que tiene algunas similitudes con el ciclo
de Carnot y utiliza refrigerantes como fluido de
trabajo.

CARACTERISTICAS DE LOS
REFRIGERANTES

– Calor latente de evaporación alto:
cuanto mayor sea su valor menor cantidad de refrigerante hay que
utilizar en el proceso de refrigeración para obtener una
temperatura determinada.

– Presión de evaporación superior a la
atmosférica: para evitar que entre aire en el circuito
de refrigeración, lo que acarrearía el problema de
que el agua contenida en el aire se solidificase y obturase
algún conducto.

– Punto de ebullición lo suficientemente
bajo para que sea inferior a la temperatura de
trabajo del evaporador.

– Temperaturas y presión de
condensación bajas: así se evitan trabajar con
presiones de condensación altas en el compresor lo que se
traduce en un considerable ahorro tanto de energía como en
el coste de la instalación.

– Inercia química: es decir que no
reaccione con los materiales que componen el
circuito ni con el aceite del compresor.

– Ha de ser inmiscible o totalmente miscible con el
aceite del compresor: la solubilidad parcial da origen a
problemas de depósitos de aceite en el
evaporador.

– Debe de ser químicamente estable: hasta
el grado de no ser inflamable ni explosivo.

– Ha de ser soluble en agua: de esta forma se
evita que el agua libre pueda formar cristales de hielo. Por este
motivo los circuitos de refrigeración van provistos de
filtros deshidratantes.

– Debe ser no tóxico para el
hombre.

– Debe tener un impacto ambiental bajo o nulo en el caso
de ser liberado por posibles fugas.

– Debe ser fácilmente detectable por el olfato
para poder localizar las fugas que se produzcan en
el sistema.

– Debe ser barato.

TIPOS DE REFRIGERANTES
CLOROFLUOROCARBONOS

Los refrigerantes CFC consisten de cloro, flúor y
carbono. Los refrigerantes más comunes en
este grupo son el R11, R12 y R115 (con la mezcla R502). Tal como
se mencionó más arriba, estos refrigerantes vienen
siendo usados ampliamente desde 1930, en muchas aplicaciones,
incluyendo refrigeración doméstica,
refrigeración comercial, almacenamiento frío,
transporte y aire acondicionado del auto. Debido a que no
contienen hidrógeno, los CFC son muy estables
químicamente, y tienden a tener buena compatibilidad con
la mayoría de los materiales y lubricantes tradicionales
como los del tipo mineral. A lo largo de toda la variedad de CFC,
tienen una amplia variedad de características de
presión – temperatura, y por lo tanto cubren un amplio
margen de aplicaciones. Sus propiedades termodinámicas y
de transporte son generalmente buenas, y por lo tanto ofrecen un
potencial muy bueno de eficiencia. La buena estabilidad
también resulta en un bajo nivel de toxicidad y no
flamabilidad, obteniendo una clasificación de A1 en
seguridad.

Sin embargo, debido a que contiene cloro, los
refrigerantes CFC dañan la capa de ozono (ODP), y debido a
su larga vida en la atmósfera, aumentan el calentamiento
global (GWP). De manera similar, existen gases ambientalmente
ecológicos, pero con un alto valor de GWP. Sin embargo,
estos no son controlados por el Protocolo de Kioto debido a que
son controlados y están siendo eliminados por el Protocolo
de Montreal. Tradicionalmente, los refrigerantes CFC fueron muy
baratos y ampliamente disponibles, hoy en día son mucho
más caros y su disponibilidad disminuye.

HIDROCLOROFLUOROCARBONADOS

Los refrigerantes HCFC consisten de hidrógeno,
cloro, flúor y carbón. Los refrigerantes más
comunes en este grupo son el R22, R123 y R124 (dentro de varias
mezclas). Debido a que contienen hidrógeno, los HCFC son
en teoría menos estables químicamente que los CFC,
pero sin embargo tienden a tener buena compatibilidad con la
mayoría de los materiales y lubricantes
tradicionales.

HIDROFLUOROCARBONADOS

Los refrigerantes HFC consisten de hidrógeno,
flúor y carbono. Los refrigerantes más comunes son
el R134a, R32, R125 y R143a (la mayoría incluidos dentro
de mezclas tales como R404A, R407C y R410A). Estos están
siendo usados en gran escala desde 1990 en casi
todas las aplicaciones correspondientes a los CFC y HCFC,
incluyendo refrigeración doméstica,
refrigeración comercial, almacenamiento frío y aire
acondicionado automotor. Los HFC son generalmente estables
químicamente, y tienen tendencia a ser compatibles con la
mayoría de los materiales. Sin embargo, no son miscibles
con con los lubricantes tradicionales, y por lo tanto se emplean
otros lubricantes del tipo sintético. A lo largo del rango
de refrigerantes HFC, existen distintas versiones a diferentes
presiones y temperaturas. Sus propiedades termodinámicas y
de transporte son desde casi a muy buenas, y por lo tanto ofrecen
una excelente opción. Aunque algunos HFC son clasificados
como A1 en términos de seguridad, algunos poseen
clasificación A2 (baja toxicidad y baja flamabilidad). A
diferencia de los CFC y HCFC, no contienen cloro, y por lo tanto
no dañan la capa de ozono. Sin embargo, debido a su largo
período de vida, son refrigerantes ecológicamente
aceptables pero con un alto valor de GWP. Estos son controlados
por el Protocolo de Kyoto. Actualmente, los refrigerantes HFC
tienen un precio moderado, contra el precio de las mezclas que
están comenzando a aumentar de precio. Aunque numerosos
países están desarrollando leyes para controlar el
uso y emisión de gases HFC, muchos están
disponibles, y lo continuarán siendo por un futuro
mayor.

REFRIGERANTES NATURALES

Varios hidrocarbonos, el amoníaco y
dióxido de carbono pertenecen al grupo denominado
refrigerantes naturales. Todos los refrigerantes naturales
existen en los ciclos de la naturaleza, inclusive sin
intervención del ser humano. Tiene un valor de ODP igual a
0 y no son GWP. Las innovaciones y evolución en la
tecnología han contribuido en la consideración de
estos refrigerantes naturales. Debido a su mínimo impacto
ambiental y por ser más apropiados y acordes desde el
punto de vista de la sustentabilidad tecnológica, los
sistemas frigoríficos con refrigerantes naturales pueden
jugar un rol importante en el futuro de muchas
aplicaciones.

Amoníaco (NH3, R717)

El amoníaco contiene nitrógeno e
hidrógeno, y es ampliamente utilizado en muchas
industrias. Ha sido empleado como refrigerante desde los
años 1800, y hoy en día es comúnmente usado
en refrigeración industrial, alcenaje frío, en
procesos alimenticios y más recientemente está
siendo usado en refrigeración comercial y
chillers.

El R717 es químicamente estable, pero reacciona
bajo ciertas condiciones, por ejemplo, cuando se pone en contacto
con dióxido de carbono o agua o cobre. Por otro lado, es
compatible con el acero y con el aceite correctamente
seleccionado. Las características de presión y
temperatura del R717 son similares al R22. Sin embargo, sus
propiedades termodinámicas y de transporte son excelentes,
aumentando potencialmente la eficiencia de los
sistemas. Debido a su alto grado de toxicidad y baja
inflamabilidad, posee una clasificación igual a B2. A
diferencia de los gases fluorados, no tiene impacto en la capa de
ozono y tiene un valor igual a cero de calentamiento global
(GWP).

HIDROCARBONOS (HC)

Estos refrigerantes contienen carbono e
hidrógeno, y son ampliamente usados en dentro de muchas
industrias. Los más comúnmente usados para
propósitos de la refrigeración son el isobutano
(C4H12, R600a) y propano (C3H8, R290), propileno (C3H6, R1270) y
se usan también en mezclas compuestas en parte por estos
fluidos. Dentro de lo que es aplicaciones industriales, se usan
una variedad de otors HC. En general, los refrigerantes HC han
sido usados como refrigerante desde los años 1800 hasta
1930, y fueron re-aplicados desde la década de los 90.
Aparte de su uso en refrigeración industrial, los
refrigerantes HC se han usado en refrigeradores
domésticos, refrigeración comercial,
acondicionadores de aire y chillers. Los refrigerantes HC son
químicamente estables, y exhiben una compatibilidad
similar a los CFC y HCFC. Los Hc también tienen excelentes
propiedades termodinámicas y de transporte. Debido a su
alta inflamabilidad, los HC tienen una clasificación de
seguridad de A3. Al igual que el R717, los refrigerantes HC no
tienen impacto en la capa de ozono y su efecto en el
calentamiento global es insignificante. Tanto el R600a y R290 son
muy barat os pero su disponibilidad depende del
país.

DIÓXIDO DE CARBONO (CO2, R744)

Este refrigerante contiene carbono y oxígeno, y
es ampliamente empleado en muchas industrias. Ha sido
extensivamente usado durante mediados de los años 1800,
pero se discontinuó su uso con la aparición de los
CFC y HFCF. A finales de los años 1990, emergió
nuevamente como refrigerante y su uso se ha venido incrementando
en las industrias de la refrigeración, almacenaje
frío, refrigeración comercial, y bombas de calor,
entre otros. El R744 es químicamente estable y no
reacciona en la mayoría de las condiciones, y es
compatible con muchos materiales. Las características de
presión y temperatura del R744 son diferentes a de la
mayoría de los refrigerantes convencionales, y es por eso,
por ejemplo, que opera a presiones siete veces mayores que el
R22, con lo cual el sistema debe ser diseñado con
consideraciones especiales para soportar altas presiones.
Además, tiene una baja temperatura crítica, de
manera que cuando la temperatura ambiente supera los 25º C,
se necesita el diseño de un sistema especial. Por otro
lado, sus propiedades termodinámicas y de transporte son
excelentes, haciendo que los sistemas sean potencialmente
eficientes en climas fríos. Debido a su baja toxicidad y
no inflamable, tiene una clasificación de seguridad de A1.
A diferencia de los refrigerantes fluorados, no tiene impacto en
la capa de ozono. Sin embargo posee un valor igual a 1 de
potencial de calentamiento global (GWP). El R744 es muy barato y
ampliamente disponible en el mercado.

COMPRESOR

Un compresor es una máquina de fluido que
está construida para aumentar la presión y
desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como
lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través
de un intercambio de energía entre la máquina y el
fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es
transferido a la sustancia que pasa por él
convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su
presión y energía cinética
impulsándola a fluir.

En las instalaciones frigoríficas
encontraremos normalmente tres tipos de
compresores.

HERMETICOS. Todo el conjunto motor-compresor
está internamente en una carcasa soldada sin
accesibilidad, normalmente están instalados en equipos de
pequeñas potencias, siendo de menor coste y ocupan menor
espacio.

SEMIHERMETICOS. El eje del motor es
prolongación del cigüeñal del compresor y
están en una misma carcasa accesible desde el exterior. Se
utilizan en potencias medias y eliminan los problemas de
alineamiento entre el motor y el compresor.

ABIERTOS. El cigüeñal es activado por
un motor exterior al compresor. Se utilizan para medias y grandes
potencias y son los más versátiles y
accesibles.

FUNCIÓN DEL COMPRESOR

Los compresores administran la distribución del
refrigerante, absorbiendo energía de las
áreas frías y transfiriéndola a
áreas más calientes dentro de la unidad. Los
compresores alternan el refrigerante de vapor de baja
presión a alta presión, alternando el enfriamiento
usando un sistema de dos etapas para mantener los
artículos fríos a una temperatura mientras se
mantienen los artículos congelados en el área de
alta presión. Los compresores se clasifican como abiertos
o sellados. Los compresores abiertos se usan para aplicaciones
grandes como los que se usan en instalaciones de
producción y tienen un motor eléctrico
externo.

COMPRESORES CENTRÍFUGOS

Los compresores centrífugos entran dentro de la
categoría dinámica o compresores de refrigerador.
Cuando operan a plena capacidad, estos compresores con muy
eficientes, presionando el vapor refrigerante de uno
o varios impulsores. Los compresores centrífugos
alternativamente pueden controlarse pasando gas caliente de un
puerto a otro, aunque este proceso se considera la
manera ineficiente de operar una unidad de este tamaño.
Una unidad grande de este tipo puede controlarse a través
de control de velocidad, de paso variable y
amortiguadores de succión. Este compresor no es un sistema
común, pero tiene el propósito de administrar un
aparato grande en un entorno industrial.

COMPRESORES DE TORNILLO

Los compresores de tornillo entran en la
categoría de desplazamiento de unidades de
compresión, pasando el refrigerante a través de
husillos mientras comprimen la entrada de gas.
Usadas comúnmente en entornos de producción de
alimentos, los compresores de tornillo suelen tener uno o dos
husos y se distinguen co mo tipos de compresores de uno o dos
tornillos. Los compresores de dos tornillos tienen dos rotores
estriados que succionan y comprimen el refrigerante a lo largo
del sistema. La ventaja de los compresores de tornillo es que
pueden manejar grandes cantidades de refrigerante en
comparación con otros compresores en la categoría
de desplazamiento positivo. Pueden competir con compresores
centrífugos de baja capacidad y están disponibles
para varias aplicaciones. Otra ventaja de los compresores de
tornillo es su estabilidad, pues evitan algunos de los problemas
de vibración de otros sistemas.

COMPRESORES SCROLL

Los compresores scroll también entran en la
categoría de desplazamiento positivo y se consideran un
tipo de compresor generalmente eficiente y el compresor
más común en el mercado de la refrigeración.
En una unidad de compresor scroll, un rollo movido por un motor
eléctrico engrana con un rollo estacionario formando
bolsillos que atrapan, transportan y comprimen refrigerante de
baja presión desde el exter ior de los rollos hasta el
pasaje de descarga. El compresor scroll es notable por su
desempeño de compresión fluido y continuo, que
reduzca la tasa de fugas y aumenta la eficiencia.

COMPRESORES DE PISTÓN

El último tipo de unidad en la categoría
de desplazamiento positivo es el compresor de pistón.
Usado comúnmente con propósitos comerciales en
entornos de producción, el compresor de pistón es
similar a un motor de automóvil en su composición.
Usando un motor para succionar y luego comprimir el refrigerante
en un cilindro, la unidad usa el pistón para iniciar el
proceso, permitiendo que una válvula de entrada se abra y
cierre cuando se haya alcanzado el nivel apropiado de
presión para enfriar la unida de refrigeración. Las
válvulas de entrada y escape están diseñadas
para que el flujo del refrigerante viaje en una dirección
a lo largo del sistema.

EVAPORADORES Y
CONDENSADORES

Se conoce por evaporador al intercambiador donde
se produce la transferencia de energía térmica
desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que
circula en el interior del dispositivo. Su nombre proviene del
cambio sufrido por el refrigerante al recibir esta
energía, luego de una brusca expansión que reduce
su temperatura. Durante el proceso de evaporación, el
fluido pasa del estado líquido al gaseoso.

Los evaporadores se encuentran en todos los sistemas de
refrigeración como neveras, equipos de aire acondicionado
y cámaras. Su diseño, tamaño y capacidad
depende de la aplicación y carga térmica de cada
uso.

TIPOS DE EVAPORADORES Para determinar las
condiciones óptimas de diseño, se deben tener en
cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera,
un equipo que tenga una relación
óptima entre rendimiento de evaporación,
economía y calidad del producto. Estos factores se pueden
resumir de la siguiente forma:

Evaporador de película descendiente Estos
tipos de evaporadores son los más difundidos en la
industria alimenticia, por las ventajas operacionales y
económicas que los mismos poseen.

Evaporador de película ascendiente En
estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por
la parte inferior del equipo y la misma asciende por los
tubos.

Evaporador de circulación forzada Los
evaporadores de circulación forzada pueden no ser tan
económicos, pero son necesarios cuando los productos
involucrados en la evaporación tienen propiedades
incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones,
cristalizaciones o ciertas características térmicas
que imposibilitan una circulación natural.

CONDENSADOR

El condensador es un sistema de lentes situadas bajo la
platina su función es la de concentrar la luz generada por
la fuente de iluminación hacia la preparación. En
el interior del condensador existe un diafragma-iris cuya
función es limitar el haz de rayos que atraviesa el
sistema de lentes eliminando los rayos demasiado
desviados

Un condensador es un dispositivo eléctrico que
permite acumular cargas eléctricas.

Se denomina Capacidad C a la relación entre la
carga Q almacenada por el condensador y la tensión U a la
que está conectado

CARGA DE UN CONDENSADOR

Cuando se conecta un condensador C a una
fuente V0 se produce un régimen transitorio dado por las
ecuaciones siguientes:

La cantidad RC se denomina
constante de tiempo del circuito, y su magnitud es
importante para el tiempo de carga del condensador.

BIBLIOGRAFIA

1. Buergess H. Jennins and Samuel R. Lewis.
"Aire Acondicionado y Refrigeración".
C.E.C.S.A. Décima Octava reimpresión
1998.

2. Roy Dossat. "Principios de
Refrigeración". C.E.C.S.A. Décima Octava
reimpresión 1998.

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

4. Paul F. Goliber. "Servicio de
Refrigeración". DIANA. Segunda impresión
1995

5. P. J. Rapin. "Instalaciones
Frigoríficas". MARCOMBO. Impresión 1993.

Autor:

Francisco Javier Perez
Pablos