INTRODUCCIÓN MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

TEMA 1 - INTRODUCCIÓN MÁQUINAS FRIGORÍFICAS.

1. - INTRODUCCIÓN.

Las técnicas de refrigeración han alcanzado hoy en día un desarrollo extraordinario, siendo su aplicación tan extensa, que cubre ó aparece en cualquier plano de la vida diaria de la humanidad.

Así, tenemos, entre sus diversas aplicaciones:

- Conservación de productos perecederos.

- Fabricación de hielo.

- Refrigeración y acondicionamiento de aire.

- Procesos industriales diversos (industria química, textil, mecánica, etc.).

- Separación de gases (por destilación de los productos a baja temperatura).

- Obtención de N2, O2, H2, etc..

- Tratamiento de materiales.

- Criogénia (obtención de temperaturas extremadamente bajas).

La refrigeración consiste en hacer que en una cámara o recinto la temperatura descienda por debajo de la temperatura del medio ambiente, y se mantenga luego a esta baja temperatura.

Como ningún recinto o cámara es perfectamente adiabático, para mantener dicho recinto a esa baja temperatura, es preciso extraer calor del recinto continua o al menos intermitentemente.

Esto implica normalmente el transporte de calor de un recinto a baja temperatura al medio ambiente, que se encuentra a mayor temperatura.

En general, el transporte de calor se realiza mediante un fluido transportador de calor que se denomina refrigerante.

Como sabemos; el calor pasa espontáneamente de un cuerpo caliente a otro frío; para poder pasar calor de un cuerpo frío a otro caliente debemos aportar o trabajo mecánico o calor del exterior, lo que nos lleva a clasificar las instalaciones frigoríficas en dos tipos, según que tipo de energía toma del exterior:

- Instalaciones frigoríficas con compresor: Son aquellas que toman trabajo mecánico del exterior.

- Instalaciones frigoríficas sin compresión: son aquellas que toman calor del exterior.

Como sabemos estas instalaciones trabajan mediante ciclos termodinámicos, y se mide su rendimiento mediante dos parámetros:

- T Q/W

Q1 Q2 + T

2. - INSTALACIONES FRIGORÍFICAS POR COMPRESIÓN.

2.1. - Introducción: Conceptos básicos.

Este tipo de instalaciones, están constituidas, como mínimo, por:

- Un intercambiador de calor, denominado evaporador, que toma cierta cantidad de calor de una fuente fría o lugar que queremos mantener a baja temperatura.

- Un compresor, que eleva el nivel térmico del fluido refrigerante hasta la temperatura que reina en el condensador.

- Un intercambiador de calor, denominado condensador, que cede el calor, tomado en el foco frío y el calor recibido en la compresión del fluido, al exterior.

- Un dispositivo de expansión para mantener a diferentes presiones los dos intercambiadores de calor.

Los modernos sistemas de refrigeración por compresión, se basan en la propiedad de los líquidos de absorber grandes cantidades de calor a medida que se produce la vaporización de los mismos.

Vamos a ver este fenómeno como se produce. Imaginemos una cazuela llena de agua en fase líquida a 0 º y le añadimos calor (la ponemos al fuego). ¿Qué ocurre?.

Si está destapada la presión sobre la superficie del agua siempre será la atmosférica, de aproximadamente un bar, por lo que la temperatura del agua se eleva hasta alcanzar los 100 º C (temperatura de saturación) y comienza la vaporización violenta o ebullición. Durante la vaporización la temperatura de saturación no varía.

Al finalizar la vaporización, la temperatura aumenta de nuevo (vapor sobrecalentado).

Si repetimos esta experiencia a una presión inferior que la atmosférica, la temperatura de saturación (ts) es menor.

Si repetimos esta experiencia a una presión superior que la atmosférica, la temperatura de saturación (ts) es mayor.

Por lo que podemos decir que.

ts = t(ps) ó ps = p(ts)

Estos cambios de fase (paso de agua líquida a agua gaseosa o vapor), se representan en general en unos diagramas denominados de fase. Los más comunes son: el p – v, T – s, p – h, y el h – s. El usual utilizado en las técnicas frigoríficas es el diagrama p – h, y tablas de datos experimentales de vapor saturado y de vapor sobrecalentado. En las primeras aparecen los datos de las propiedades termodinámicas más comunes (h, s, p, T, v) tanto para líquido saturado como para vapor saturado. Por lo que para poder encontrar propiedades dentro de la zona bifásica necesitamos conocer la relación de masas de vapor y de líquido. Para ello utilizamos el concepto de “título”, que es la relación de masa de vapor respecto a la masa total. Cualquier propiedad termodinámica la podemos encontrar como:

Siendo “X” el título definido por:

En las máquinas frigoríficas se utilizan unos fluidos, los llamados refrigerantes, que tienen propiedades muy apropiadas para absorber grandes cantidades de calor cuando vaporizan o realizan un cambio de fase a baja temperatura.

Así tenemos el R-134a, del tipo HFC, no dañino a la capa de ozono y sustituto del famoso R-12, este fluido tiene una temperatura de saturación de –26,43 ºC a la presión atmosférica standard (1,013 bar). Por esta razón puede almacenarse como líquido a temperatura ambiente si se le tiene a presión en cilindros de placa de acero gruesa, para 24ºC tiene una presión de 6,4566 bar. Reflejado en un diagrama de fases T - s:

2.1.1. - Vaporización del refrigerante.

Un espacio aislado podrá ser refrigerado, simplemente poniendo a vaporizar R-134a en el interior de un depósito ventilado hacia el exterior.

Debido a que el R-134a, está a la presión atmosférica, su temperatura de saturación será de unos -26,07 ºC aproximadamente. Al vaporizarse a esta temperatura tan baja, con facilidad absorberá calor del espacio a 30 ºC, el cual pasará a través de las paredes del depósito que lo contiene. El calor absorbido por el líquido vaporizado abandona el espacio escapándose el vapor a través del respiradero.

Debido a que la temperatura del líquido permanece constante durante el proceso de vaporización, la refrigeración continuará hasta que todo el líquido sea vaporizado.

Donde el refrigerante se vaporiza durante un proceso de vaporización, es llamado evaporador.

2.1.2. - Control de la temperatura de vaporización.

La temperatura a la cual el líquido se vaporiza en el evaporador, puede ser controlado bajo la presión del vapor que se tiene sobre el líquido, lo que a su vez permite regular la velocidad a la cual sale el vapor del evaporador. (ejemplo, colocar una válvula a la salida del evaporador)

Así es posible controlar la presión del vapor que está encima del líquido y lograr que el R-134a vaporice a cualquier temperatura entre los - 26ºC y los 30ºC del espacio a enfriar.

Cuando se necesite que las temperaturas de saturación sean menores que la temperatura de saturación correspondiente a la presión atmosférica, => pevaporador< patmosférica. Esto se puede obtener a través de compresores.

2.1.3. - Mantenimiento de una cantidad constante de líquido en el evaporador.

La vaporización continua del líquido en el evaporador requiere un suministro continuo de líquido para reemplazar al líquido evaporado y mantener constante la cantidad del mismo en el evaporador.

Por lo que a la instalación debemos proveerla de un depósito de líquido, con una válvula automática (válvula de expansión o tubo capilar) que nos mantenga el nivel de líquido del evaporador constante.

El líquido refrigerante que se tiene en el cilindro de almacenamiento y en la tubería de alimentación no se vaporiza porque la presión en el cilindro, es tal, que la temperatura de saturación del refrigerante es igual a la temperatura de los alrededores.

La presión alta que tiene el depósito de líquido obliga al líquido a fluir a través del tubo alimentador y de la válvula hacia el evaporador de baja presión. Durante el paso del refrigerante a través de la válvula, la presión alta del refrigerante se reduce de valor hasta la presión que reina en el evaporador.

Debido a que esta presión de gas reinante es inferior a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del líquido en el recipiente, una parte del refrigerante líquido se vaporiza inmediatamente y súbitamente a gas (debido a que la nueva presión no es lo suficientemente elevada para impedir el escape de las moléculas desde su superficie). La porción de líquido que se evapora toma el calor latente necesario para su evaporación de la mezcla que fluye enfriándola de esta manera hasta la temperatura de evaporación del evaporador.

2.1.4. - Recuperación del refrigerante.

Por motivos convenientes y económicos, no es práctico permitir que el vapor refrigerante escape al exterior y se pierda por difusión en el aire. El vapor de continuo debe recogerse y condensarse para llevarlo al estado de fase líquida, de tal manera, que el mismo refrigerante sea de nuevo utilizado, con lo que se elimina la necesidad de suministrar al sistema un nuevo refrigerante. Para lograr la condensación del vapor, debe agregarse otro elemento al sistema, el cual viene a ser un condensador.

La vaporización del refrigerante en el evaporador es debido a que absorbe el calor latente necesario del espacio refrigerado, por lo tanto, lo que se requiere a fin de condensar el vapor y pasarlo a la fase líquida es

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