Unidad5 Ingenieria de Servicios Climatizacion

UNIDAD 5 CLIMATIZACION 5. 1 REFRIGERACION La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo. La refrigeración implica transferir la energía del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades termodinámicas. La temperatura es el reflejo de la cantidad o nivel de energía que posee el cuerpo, ya que el frío propiamente no existe, los cuerpos solo tienen más o menos energía térmica. De esta manera enfriar corresponde a retirar Energía (calor) y no debe pensarse en términos de " producir frío o agregar frío". La salud y el bienestar de un país puede depender de los sistemas de refrigeración. Por ejemplo; la alimentación y el almacenamiento de vacunas, distribución, aplicación médica, industrial, comercial y doméstica de todo tipo depende de los sistemas de refrigeración. 5.1.1 SISTEMAS DE REFRIGERACION Los denominados sistemas frigoríficos o sistemas de refrigeración corresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos -o más- focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones. Cabe mencionar la radical diferencia entre un sistema frigorífico y un circuito de refrigeración, siendo este último un mero arreglo para disminuir temperatura el cual se define como "concepto", ya que su diseño (abierto, semi abierto, cerrado), fluido (aire, agua, incluso gas refrigerante), flujo (sólo frío o "bomba de calor") varían conforme la aplicación. Estos varían desde el clásico enfriamiento de motores de combustión interna por medio de agua hasta el water cooling utilizado en enfriamiento de computadores. Los sistemas frigoríficos tienden a ser bastante más complejos que un circuito de refrigeración y es por eso que se presentan aparte. En el estudio acabado y diseño de estos sistemas frigoríficos se aplican diversas ciencias, tales como la química, en las propiedades y composición de los refrigerantes; la termodinámica, en el estudio de las propiedades de la materia y su energía interna; la transferencia de calor, en el estudio de intercambiadores de calor y soluciones técnicas; así como la ingeniería mecánica, en el estudio de compresores de gas para lograr el trabajo de compresión requerido. Se han mencionado estas disciplinas dejando de lado la electricidad, desde los tradicionales conocimientos en corrientes trifásicas para la alimentación de los equipos, hasta conocimientos relativamente avanzados en automatización y PLC, para el control automático que estos requieren cuando están operando en planta frigorífica. Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí conforme su método de inyección de refrigerante y configuración constructiva, ambos condicionados por sus parámetros de diseño. De esta manera, y haciendo un adecuado balance de masas y energías, es posible encontrar la solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica. 5.1.2 CARACTERISTICAS TERMODINAMICAS Y QUIMICAS DE LOS REFRIGERANTES Refrigerante Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo compresión-vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cuál alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente. Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el ciclo antes mencionado, debe poseer ciertas propiedades físicas, químicas y termodinámicas que lo hagan seguro durante su uso. No existe un refrigerante “ideal” ni que pueda ser universalmente adaptable a todas las aplicaciones. Entonces, un refrigerante se aproximará al “ideal”, solo en tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de la aplicación para la que va a ser utilizado. Propiedades Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que los fluidos cumplan con lamayoría de las siguientes características: Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la temperatura ambiente, a presión atmosférica. (evaporador) Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser controlable con facilidad de modo que su capacidad de absorber calor sea controlable también. Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de vaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en circulación. No inflamable, no explosivo, no tóxico. Químicamente estable: A fin de tolerar años de repetidos cambios de estado. No corrosivo: Para asegurar que en la construcción del sistema puedan usarse materiales comunes y la larga vida de todos los componentes. Moderadas presiones de trabajo: las elevadas presiones de condensación(mayor a 25-28kg/cmª)requieren un equipo extrapesado. La operación en vacío(menor a 0kg/ cmª)introduce la posibilidad de penetración de aire en el sistema. Fácil detección y localización de pérdidas: Las pérdidas producen la disminución del refrigerante y la contaminación del sistema. Inocuo para los aceites lubricantes: La ación del refrigerante en los aceites lubricantes no debe alterar la acción de lubricación. Bajo punto de congelación: La temperatura de congelación tiene que estar muy por debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador. Alta temperatura crítica: Un vapor que no se condense a temperatura mayor que su valor crítico, sin importar cuál elevada sea la presión. La mayoría de los refrigerantes poseen críticas superiores a los 93°C. Moderado volumen específico de vapor: Para reducir al mínimo el tamaño del compresor. Bajo costo: A fin de mantener el precio del equipo dentro de lo razonable y asegurar el servicio adecuado cuando sea necesario 5.1.2.1 EFICIENCIA DE ENFRIAMIENTO La capacidad de refrigeración de un equipo está dada por el calor absorbido en el evaporador (QB). En cambio, la carga de refrigeración corresponde a la energía térmica que contiene el medio que se desea refrigerar. El trabajo ejercido por el compresor sobre el fluido refrigerante (W) puede estimarse como la diferencia entre el calor disipado por el condensador (QA) y el calor absorbido por el evaporador (QB). El calor absorbido en el evaporador (QB), el calor expulsado en el condensador (QA) y la potencia o trabajo ejercido sobre el fluido refrigerante (W), pueden ser calculados de acuerdo a las variaciones de la entalpía del refrigerante en las distintas etapas del ciclo, suponiendo que las válvulas de expansión son isoentálpicas (entalpía constante). Consultando un texto sobre termodinámica, se pueden extraer las ecuaciones que nos ayudarán a evaluar el proceso, las que vienen representadas por: QB=m(h1-h5)evap = m(h1-h4)exp QA=m(h2-h4)cond W=m(h2-h1)comp m : flujo de refrigerante en unidades de masa, masa/tiempo hi : entalpías en los distintos puntos indicados en las Figura anterior Los ciclos reales se alejan en la práctica de los ciclos teóricos y esto es debido a que las sustancias no se comportan en los estados ideales sobre los cuales se define la teórica del proceso. Esta realidad se comprueba en las siguientes etapas del ciclo: a) La compresión no sigue exactamente un proceso adiabático, ya que se producen pérdidas de calor del gas refrigerante en el compresor. b) Los procesos de condensación y evaporación no son isobáricos debido a las pérdidas de carga por fricción. c) Existe normalmente un pequeño subenfriamiento del líquido que llega a la válvula de expansión y un sobrecalentamiento del vapor que llega al compresor. Esto ya los hemos revisado anteriormente. El coeficiente de operación (COP) nos da una idea de la eficiencia con que está operando el sistema de refrigeración. Este se define como: COP=QB/W = (h4-h1)evp/(h2-h1)comp Este coeficiente de operación es aplicable de la misma forma tanto al ciclo ideal como al ciclo real. En la práctica, si no se conocen con precisión las condiciones de P y T en punto 2, para el cálculo de h2 y W, estas variables se pueden determinar considerando compresión isentrópica y aplicando posteriormente la corrección correspondiente por medio de la eficiencia isentrópica (ns) W=Ws/ns donde Ws es el trabajo isentrópico, para lo que hemos asumido que s1=s2. Conocida el eficiencia isentrópica, calculamos el trabajo real W. También se puede calcular la potencia activa que desarrolla el motor eléctrico, si este es el caso, conocida su tensión eléctrica, (V) volt, la corriente nominal (I), amp y el factor de potencia (cos f ) que toma el motor. Teniendo en cuenta si el motor es monofásico o trifásico, esta puede ser calculada por la expresión: monofásico P = (V,volt )* (I,amp) * (cos (f)) trifásico P =1.7321 [(V,volt )* (I,amp) * (cos (f))] 5.1.3 APLICACIÓN DE LA REFRIGERACION A CUARTOS FRIOS Son las fuentes que se originan por el producto refrigerado y el uso de luces, equipos y personas en el interior de los cuartos, por lo que están sujetas a los horarios de permanencia y uso, más que a las condiciones climáticas predominantes. La importancia de cada fuente interna depende del volumen del cuarto, pero por lo general el producto será lo de mayor importancia. Las frutas y verduras son además un caso especial, ya que se consideran producto vivo y requieren aire exterior para respirar oxigeno y generar CO2. El empaque de almacenamiento es importante y en estos casos debe tener agujeros. Si las frutas o verduras se almacenan en bolsas cerradas, el primer indicio será que la bolsa se sude por dentro y el producto se irá marchitando rápidamente. Los líquidos almacenados deben estar tapados herméticamente, ya que los evaporadores deshidratan el aire y se pierde poco a poco agua en los productos. Esto acelera la formación de escarcha en el evaporador y su eficiencia. Durante una auditoría energética, la evaluación de si el equipo está bien o mal seleccionado se puede realizar simplemente midiendo con el termómetro y determinando si logra o no alcanzar la temperatura adecuada del producto cuando éste ingresa y si no hay reportes de daños por deterioro acelerado. Normalmente no es necesario realizar un cálculo de la carga térmica en cuartos fríos. Refrigeradores y enfriadores comerciales son diseñados en fábrica y probados, por lo que están construidos para un volumen determinado de producto. Es necesario tomar en cuenta que el cálculo de la carga térmica de cuartos fríos es un proceso que requiere recolectar diversos datos, como las dimensiones de la construcción de área y el volumen del cuarto, los materiales usados, cuánto personal y tiempo permanece éste dentro con las luces encendidas, cuántas luces hay y de que potencia en Watts y la cantidad de producto que ingresa a una temperatura definida. Ningún método rápido reemplaza un estudio de carga formal y profesional y deben utilizarse más como una referencia inicial y no como un valor exacto. Por lo general ofrece valores mayores como un factor de seguridad del cálculo. 5.2 ACONDIICIONAMIENTO DEL AIRE El acondicionamiento de aire es el proceso que se considera más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Si no se trata la humedad, sino solamente de 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. La expresión aire acondicionado suele referirse a la refrigeración, pero no es correcto, puesto que también debe referirse a la calefacción, siempre que se traten (acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la atmósfera. Lo que ocurre es que el más importante que trata el aire acondicionado, la humedad del aire, no ha tenido importancia en la calefacción, puesto que casi toda la humedad necesaria cuando se calienta el aire, se añade de modo natural por los procesos de respiración y transpiración de las personas. De ahí que cuando se inventaron máquinas capaces de refrigerar, hubiera necesidad de crear sistemas que redujesen también la humedad ambiente. 5.2.2 CÁLCULOS DE LA CARGA TÉRMICA DE ACONDICIONAMIENTO Para conocer la capacidad del aire acondicionado que se debe comprar para determinado lugar se deben tener en cuenta varios factores, ellos son: a) Número de personas que habitarán el recinto. b) Potencia de los aparatos que se encuentran en el lugar que disipen calor (computadores, televisores, electrodomésticos en general). Toda la potencia se liberará como calor. c) Ventilación (posibles fugas de aire que puedan haber como ventanas, puertas, etc.) d) Volumen del lugar en metros cúbicos (m³) Largo X Ancho X Alto. Para realizar el cálculo de capacidad se debe tener en cuenta lo siguiente: 1kW = 860 kcal/h 12.000 BTU/h = 1 TON. DE REFRIGERACION 1 kcal = 3,967 BTU 1 BTU = 0,252 kcal 1kcal/h = 3,967 BTU/h 1HP = 642 kcal/h CÁLCULO DE CAPACIDAD C = 230 x V + (#PyE x 476) 5.2.3 EQUIPOS DE ENFRIAMIENTO ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales, como el bromuro de litio, para absorber, en su fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua, respectivamente. Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de la absorción datan de los años treinta, pero en Centroamérica es prácticamente nulo su uso. El CDR es bajo, cercano a 1,0 y en sus versiones más eficientes, es casi de 2. La ventaja es que puede utilizar calor residual como fuente de energía y no necesariamente electricidad, lo que reduce el tamaño de las subestaciones de energía (y su costo) y la potencia máxima por cobrar, por lo que se puede decir que permite ahorros indirectos al proyecto total y no sólo los costos asociados al sistema de refrigeración. Algunas ventajas de los sistemas de refrigeración por absorción son: - Silenciosos y sujetos a un desgaste limitado debido a que la única parte móvil es la bomba de solución. En comparación con los sistemas mecánicos de compresión tradicionales de la misma capacidad, la máquina, bomba, motor o turbina es pequeña. - Cuando el sistema de absorción se diseña para operar con vapor de agua con presión alta o baja, se pueden utilizar descargas de otros equipos. El sistema no tiene necesidad de depender de la energía eléctrica para los motores de la bomba. - La tendencia en la industria es la instalación de turbinas de gas o motores de combustión interna para la generación de energía eléctrica, equipados con calderas de recuperación de calor, que generar el vapor para los sistemas de refrigeración por absorción. - Aún y cuando los sistemas de absorción requieren de mayor espacio, se pueden localizar en partes exteriores a modo de unidades verticales para reducir el área de terreno requerida. - Solamente existe una limitada disminución de capacidad de las unidades de refrigeración por absorción cuando la temperatura y presión del evaporador disminuyen. Esto puede compensarse al aumentar la presión del vapor de agua que se envía al generador. Por contraste, la capacidad del sistema de compresión se reduce notablemente cuando la presión del evaporador disminuye. - Las unidades de refrigeración por absorción son tan eficientes a cargas reducidas como en su capacidad total. La cantidad de solución circulada y el vapor de agua suministrado al generador se pueden cambiar para satisfacer diferentes condiciones de carga. Sin embargo su aplicación es limitada al campo de aire acondicionado o refrigeración industrial, a temperaturas no menores de 6° C. 5.5.3 BOMBA TÉRMICA EN ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Bomba de calor, cuando además de refrigeración proporcionan calefacción, es decir, climatización. La gran ventaja de la bomba de calor reside en su eficiencia energética en calefacción, puesto que es capaz de aportar más energía que la que consume, aproximadamente entre 2 y 3 veces más. Esto es así porque el equipo recupera energía gratuita del ambiente exterior y la incorpora como energía útil para calefacción. Por tanto, para lograr el mismo efecto consume menos energía que otros aparatos o sistemas de calefacción y, lógicamente, el coste de calefacción es también más reducido, en línea con los sistemas más competitivos. Además de esta ventaja, cabe señalar: • Reúne dos servicios en un solo aparato y una sola instalación, lo que limita la inversión necesaria y simplifica las instalaciones. • • Variedad de marcas y modelos que facilitan la colocación en distintos lugares: pared, techo, suelo, etc. Prácticamente sin mantenimiento, salvo la limpieza periódica del filtro de aire. Limitaciones: En zonas donde las condiciones climáticas invernales son especialmente adversas o cuando la temperatura exterior es muy baja, puede tener dificultades para aportar todo el calor necesario y requerirá resistencia de apoyo, con un coste de funcionamiento muy superior. A pesar de que los equipos son muy silenciosos, el nivel de ruido causado por el ventilador puede resultar molesto para determinadas personas en despachos, salas de reunión o dependencias similares. Los tipos de bombas de calor. Los equipos pueden ser compactos y partidos. Los primeros constan de una sola unidad, mientras que los partidos están formados por dos o más unidades. En cuanto al servicio que prestan, los equipos se denominan: -Unitarios, cuando se trata de equipos independientes en cada dependencia con descarga directa de frío o calor. -Individuales, cuando un solo equipo atiende al conjunto del local con descarga indirecta a través de una red de conductos de aire. La mayor parte de los modelos que se indican, se fabrican con o sin incorporación de bomba de calor. Acondicionador portátil. Es un equipo unitario, compacto o partido, de descarga directa y transportable de un lugar a otro. 5.4 BANCOS DE HIELO Los bancos de hielo BUCO son almacenes de energía que están diseñados para generar hielo en horas no pico y esta energía utilizarla en puntos críticos de consumo de energía del proceso. Hoy en día es bien conocido el sistema de generación de agua helada (0.5ºC) por medio de los bancos de hielo. Los bancos de hielo BUCO son del interés económico cuando hay un requisito de agua helada durante el día con grandes variaciones de carga térmica. La temperatura de evaporación para generar hielo en los equipos y la temperatura de agua destinada a proceso es de -0.5ºC. La temperatura es constante a lo largo del proceso de derretimiento pues el área de transferencia de calor no cambia. Ventajas Aplicaciones Agua helada de hasta 0.5ºC Industria Temperatura de agua constante a lo largo Industria de todo el periodo de derretimiento Industria de bebidas Excelente transferencia de calor debido a Industria la alta turbulencia Industria Farmacéutica Operación segura debido a que no hay partes en movimiento en el tanque Requerimientos de espacio reducido para su instalación Láctea Cervecera carbonatadas química REFERENCIAS http://www.tendencias21.net/Ingenieros-daneses-desarrollan-el-primerrefrigerador-magnetico_a1168.html UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ QUMICA INDUSTRIAL 402 REFRIGERACIÓN TIPOS DE REFRIGERANTES UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ QUMICA INDUSTRIAL 402 REFRIGERACIÓN http://www.soliclima.es/productos/9-bomba-de-calor.html http://www.elaireacondicionado.com.ar/bomba.html http://www.bunca.org/publicaciones/manuales/espanol/ManualRefrigeracion30nov09.pdf