Manual técnico de refrigerantes

Ángel Luis Miranda Barreras

• Editorial: Marcombo
• Año: 2013
• ISBN:
  9788426720672
• Edición: 1
• Categoría: Technology & Engineering
• Categoría: Construction & Architectural Engineering

Este es un libro de gases fluorados que evita las complicaciones teóricas innecesarias, está pensado para un público con conocimiento medio de la materia. Se presenta una aproximación a la temática general de los fluidos frigoríficos, así como una colección de fichas con los datos técnicos más importantes de todos los utilizados, sin pretender que la información sea exahustiva. No aparecen los CFC porque están prohibidos, pero sí los HCFC, debido a que hasta finales del 2014 pueden utilizarse regenerados o recuperados. A partir de esta fecha también estarán prohibidos. Hay un capítulo divulgativo exclusivo para el amóníaco, un refrigerante industrial bueno pero con problemas de seguridad. En un anexo se han incluido las tablas de propiedades físicas y termodinámicas, tanto del vapor y líquido saturado como del vapor recalentado de algunos refrigerantes, así como las gráficas p-h de los mismos fluidos frigoríficos. Se da mucha importancia al aspecto práctico de la manipulación de los refrigerantes, sin pretender pasar por delante de los fabricantes y empresas especializadas del sector que disponen de su propio material.

Capítulo 1

Métodos frigoríficos

1. Introducción

La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma “forzada” puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más temperatura. En la figura 1.1 se ha representado un esquema de este proceso. Es evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir el proceso natural y este trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico para que sea viable de forma práctica. En la figura Q_E representa el calor extraído a la carga, Q_C el calor cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo necesario para que funcione el sistema.

Figura 1.1 Esquema general del proceso de refrigeración

Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos [4]:

Agente frigorífico. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o fluido. Si se trata de un fluido recibe el nombre de fluido frigorífico o refrigerante.

Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la definición. Algunos llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros prefieren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivo aprovechar el calor.

Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina frigorífica en verano y calefactora en invierno.

Carga frigorífica. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara o almacén frigorífico es la carga frigorífica. El calor por unidad de tiempo que debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorífica, que se mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aunque relacionadas.

Máquina frigorífica. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración. A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de compresión de vapor o máquina de absorción.

Principio frigorífico. Este concepto hace referencia al principio fundamental de refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.

Proceso o método frigorífico. Es el sistema para producir una refrigeración continua y práctica. Puede basarse en un principio frigorífico o varios.

Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético.

Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa.

Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario, por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorífica; el refrigerante de la máquina frigorífica que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el secundario.

Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigorífica. Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.

2. Ciclos termodinámicos

2.1 Introducción

La forma práctica más habitual de llevar a cabo una refrigeración mecánica que no utilice una fuente interminable de frío es mediante un dispositivo denominado “Máquina de compresión de vapor”. Este dispositivo consta, esencialmente, de un condensador, un evaporador, un sistema de expansión y un compresor (ver figura 1.2).

Figura 1.2 Esquema del circuito de refrigeración por compresión de vapor

El funcionamiento es muy sencillo: se absorbe calor en el evaporador y se cede calor en el condensador. De alguna manera podemos decir que el calor viaja desde una zona de baja temperatura (en el evaporador) hasta una zona de alta temperatura (en el condensador). El calor sólo puede transmitirse de forma natural desde una zona de alta temperatura hasta otra de baja temperatura, en nuestro caso se trata de invertir el proceso por lo tanto será necesario inyectar trabajo en el sistema. Esta operación se lleva a cabo en el compresor.

El calor absorbido por el evaporador proviene de la carga, por lo tanto ésta se enfriará o mantendrá la baja temperatura necesaria.

El “agente” encargado de transportar el calor es el “fluido frigorífico” o “refrigerante”, aunque más adelante matizaremos alguna pequeña diferencia en la denominación.

En la figura 1.3 se ha efectuado una representación gráfica del proceso que experimenta el fluido frigorífico. Para entender la figura 1.3 haremos unas observaciones previas. Las líneas curvas centrales representan los estados de equilibrio de las fases líquida (la de la izquierda) y vapor (la de la derecha). La parte comprendida entre las dos curvas corresponde a mezclas líquido vapor. De una forma aproximada podemos suponer que la máquina de refrigeración trabaja entre dos presiones extremas: la de ALTA que es la corresponde al condensador y la de BAJA que es la que corresponde al evaporador. La entalpía es la variable que expresa el contenido energético de un fluido (el refrigerante) cuando está en movimiento.

Figura 1.3 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante azeotrópico

En la figura 1.4 se ha representado el ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico. Las isotermas son inclinadas y por lo tanto la temperatura de saturación de la fase líquida (T_L) y la de la fase vapor (T_S) no son iguales. Si llamamos T_E la temperatura de la mezcla a la entrada del evaporador se llama “glide” o deslizamiento la diferencia de temperaturas T_S - T_E.

Figura 1.4 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico

2.2 Coeficiente de eficiencia de una máquina de refrigeración

La máquina frigorífica extrae calor de la carga y lo bombea al medio refrigerante del condensador. La relación entre el calor extraído a la carga, Q_E, y la energía E, empleada para producir la extracción de calor (en el compresor), recibe el nombre de coeficiente de eficiencia o COP:

Algunos utilizan otras siglas para diferenciar la eficacia de una máquina de refrigeración o la eficacia de la misma funcionando como bomba de calor. Aquí optaremos por utilizar el símbolo COP_r para la máquina de refrigeración y COP_c para la bomba de calor.

Si llamamos Q_C el calor cedido por el condensador a su medio refrigerante deberá cumplirse:

El COP_c se define:

Resulta evidente la relación:

Hay que tener presente que las anteriores expresiones se cumplirán igualmente si las magnitudes energéticas se expresan por unidad de tiempo, es decir, si son potencias. Para indicar una cantidad de calor se ha venido utilizando la kcal, sin embargo es conveniente utilizar el J (julio) o un múltiplo. La relación sería:

1 kcal = 4,187 kJ

Para la potencia la unidad que debemos emplear es el W (vatio) o un múltiplo, preferentemente el kW. Para expresar el frío producido por unidad de tiempo se ha utilizado la frigoría. Debemos emplear el kW. Una frigoría/hora es equivalente a 1,163 W, por lo tanto un vatio equivale aproximadamente a 0,860 frigorías/hora.

Hay que señalar que debemos ser prudentes con la indicación de que un COP toma éste o aquel valor. Existen diferentes clases de COP: el nominal, el instantáneo y el estacional. Solo este último nos da una información fiable de la eficacia del circuito.

Ejemplo

En una máquina de refrigeración por compresión de vapor la potencia frigorífica es de 78 kW, la potencia disipada en el condensador es de 112 kW. Determinar el COP_r.

La potencia mecánica de compresión será:

Ė = 112 − 78 = 34 kW

y el COP

3. Principios de refrigeración

Entendemos por principios generales de refrigeración los fenómenos físicos más inmediatos que nos permiten enfriar una sustancia [4]. Son:

• Elevación de la temperatura de la sustancia refrigerante. (Efecto sensible)
  Si disponemos de una sustancia a menor temperatura que la carga que deseamos enfriar aquella enfriará la carga aumentando su temperatura. En este sentido es frecuente la utilización de aire frío o agua fría para enfriar un recinto.
• Cambio de fase de la sustancia refrigerante. (Efecto latente)
  Cuando un sólido pasa a gas directamente el proceso se llama sublimación y se absorbe calor, por lo tanto puede utilizarse para enfriar una carga. Si un sólido pasa a líquido también absorbe calor y el proceso se llama fusión. Si un líquido pasa a gas también se absorbe calor y el proceso se llama evaporación. La sublimación, la fusión y la evaporación pueden utilizarse para enfriar y el efecto frigorífico consiguiente se llama latente. El calor por unidad de masa absorbido para producir el cambio de estado se llama calor latente de evaporación, fusión o sublimación.
• Expansión de un gas real. (Efecto Joule-Thomson)
  Cuando expandimos un gas éste se enfría. Este hecho fundamental nos...

Índice

• Cubrir
• Título de la página
• Derechos de Autor
• Índice
• Prólogo
• Capítulo 1 Métodos frigoríficos
• Capítulo 2 Refrigerantes. Conceptos fundamentales
• Capítulo 3 Propiedades de los refrigerantes
• Capítulo 4 Aceites refrigerantes
• Capítulo 5 Carga de refrigeración
• Capítulo 6 Sustitución de refrigerantes
• Capítulo 7 Almacenamiento; gestión de residuos
• Capítulo 8 Normativa
• Capítulo 9 Seguridad
• Capítulo 10 Aspectos prácticos
• Capítulo 11 Un refrigerante especial: el amoníaco
• Anexos