La Refrigeración - Que es, características y tipos
La refrigeración es la rama de la ciencia que trata el proceso de reducir y mantener más baja la temperatura de un espacio dado y su contenido; con respecto a su alrededor. El mantenimiento de la baja temperatura requiere de la extracción de calor del cuerpo o espacio a refrigerar y la cesión de este calor a una temperatura más alta. En cualquier proceso de refrigeración el calor absorbido es transferido a otro cuerpo y el cuerpo empleado como absorbente de calor se llama agente de refrigeración o agente refrigerante, comúnmente llamado refrigerante.
LOS REFRIGERANTES.
Refrigerante es cualquier sustancia capaz de absorber calor de otra, estas sustancias pueden ser sólidas o líquidas entre las sólidas se incluyen sobre todo el CO2 y el hielo. Hasta hace poco, el hielo era el que más se usaba en refrigeración doméstica, pero hoy en día, en la mayoría de los casos ha sido sustituida por otros refrigerantes que superan las desventajas que tiene el hielo:
1.No se pueden obtener tan bajas temperaturas como con otras sustancias. Con el cloruro de sodio o el calcio se consiguen 0o F, en cambio con el hielo sólo 32o F
2.Es necesario reponer manualmente el hielo.
3.Se produce condensado.
4.Es difícil controlar la refrigeración.
Por otro lado para refrigerar
ciertos vegetales, verduras, pescado, y demás; se prefiere el hielo por que evita que se deshidraten y los conserva en
buenas condiciones.
Como la refrigeración mecánica se basa en la evaporación y la subsecuente condensación del fluido para absorber y disipar el calor, el refrigerante debe poseer tales características físicas, para que se pueda repetir en ella la transformación del líquido en gas y del gas en líquido.
Se
requiere también que las transformaciones se realicen a la temperatura
adecuada para los diferentes servicios y a la presión conveniente y
apropiada a la economía, diseño, construcción y operación de los equipos.
Además de las características físicas se deben tener en cuenta otros
factores como son las propiedades ambientales, termodinámicas, químicas, de seguridad, economía y otras.
La capacidad de los líquidos de absorber calor mientras se evaporan, es la base de la refrigeración moderna. Entre las muchas ventajas de un refrigerante líquido están:
· Control de cantidad de calor absorbida
· Se consigue una recirculación continua del refrigerante sin necesidad de reponerla.
· Se consiguen rangos de temperatura muy amplios, pues existen una gran cantidad de refrigerantes líquidos con diferentes puntos de ebullición.
Para los refrigerantes líquidos más conocidos hay tablas y curvas que indican sus propiedades bajo diferentes condiciones.
REQUISITOS DE UN BUEN REFRIGERANTE
El refrigerante debe entrar en ebullición a una temperatura que se aproxime a la temperatura a la cual se congela el agua para poder enfriar los alimentos y conservarlos en buen estado. Además el refrigerante debe reunir otras características a saber:
· No puede ser nocivo a la salud.
· No debe ser corrosivo.
· No debe ser explosivo en forma alguna para que pueda usarse sin peligro en el refrigerador.
· Tiene que ser de tal naturaleza para que se mezcle bien con el aceite que usa para lubricar el compresor.
Por supuesto que hay otras cualidades que deben tener los refrigerantes, pero las que acabamos de mencionar son las principales. Hay cerca de una docena de combinaciones químicas que podrían usarse como refrigerantes pero ninguna reúne todas las características necesarias. Unas son venenosas, otras son explosivas y muy corrosivas y muchas otras requieren excesivas presiones para convertirlas del estado gaseoso a líquido.
CARACTERISTICAS GENERALES
La propiedad más importante de los refrigerantes consiste en que se conviertan de gas a líquido sin dificultad y que el calor latente al efectuarse la evaporación tenga un valor elevado. En lo que respecta al proyecto del sistema, aplicación y funcionamiento, se deben tener en cuenta ciertas características necesarias y adaptar estos requisitos a las propiedades especifica de los refrigerantes disponibles. Son características importantes de los refrigerantes las siguientes:
I Inflamabilidad y peligro de explosión: La mayor parte de los refrigerantes de uso común son totalmente inflamables y no explosivos. Para clasificarlos según su nivel de inflamación se utilizan dos normas ASA B9.1 y la clasificación norteamericana de los Underwrites’ Laboratories. Es necesaria esta clasificación bajo el punto de vista de seguridad, debido a que en el sitio de trabajo las fugas pueden causar una concentración crítica y producir incendios o explosiones; para evitar esto se deben tener muchas precauciones como ventilación, extracción, alarmas y otros.
Toxicidad : Un refrigerante tóxico es el que es perjudicial a los seres humanos cuando se mezcla en el aire en pequeños porcentajes. Todos los refrigerantes comunes excepto el aire pueden causar sofocación, pero esto ocurre solamente a altas concentraciones. El grado de toxicidad varia de un refrigerante a otro; depende de sus características y del tiempo en que se esté expuesto a los mismos.
Relación de compresión: Es la que existe entre la presión de compresión y la presión de evaporación del refrigerante. Esta relación refleja la potencia requerida por el compresor y la presión necesaria para realizar la compresión del refrigerante.
Calor específico del refrigerante líquido: El efecto de refrigeración es igual que su calor latente de vaporización, menos el calor sensible perdido en enfriar él liquido de la entrada al evaporador hasta la salida del mismo. Por lo anterior, mientras más pequeño sea el calor específico del liquido mayor será el efecto de refrigeración
Punto de congelación: mientras que la mayoría de los refrigerantes tienen un punto de congelación menor que el punto de congelación del agua (de -20 oF a 10oF), cuando se requiere temperaturas de extrabajas, se deben tener mucho cuidado al escoger los refrigerantes. El punto de congelación de un refrigerante debe ser bastante menor que la más baja temperatura obtenida del evaporador
Estabilidad química y efecto de la humedad: los refrigerantes deben ser de tal naturaleza que los continuos cambios de presión y temperatura no afecte sus propiedades. Asimismo, deben resistir cualquier descomposición química ocasionada por contaminación del aceite, aire o agua. Muchos refrigerantes, en su estado puro, no son corrosivos, pero al combinarse con agua se vuelven muy corrosivos.
Relación refrigerante- aceite: La presencia de
aceite lubricante en un
sistema es obvia,
porque el refrigerante y el aceite deben ser compatibles química y
físicamente. El refrigerante ideal es el que permanece químicamente estable en presencia de aceite lubricante y, a su vez, no influye en las
características químicas del lubricante.
Hay refrigerantes que tienen la capacidad de mezclarse con el aceite (miscibilidad) en cualquier proporción, algunos se mezclan poco y otros nada. El efecto de la miscibilidad es reducir la viscosidad del aceite y disminuir la temperatura a la que se congela un lubricante. El efecto de un lubricante en el sistema es bajar la eficiencia, ya que se forma una capa en los tubos del evaporador y baja la transmisión; esto sucede con refrigerante poco miscibles. Cuando el refrigerante es miscible, no hay posibilidad de tener deposito en el evaporado, ya que el aceite no viene solo sino mezclado.
Velocidad de fugas: La velocidad de fuga de un gas refrigerante aumenta de modo directamente proporcional a la presión y inversamente proporcional al peso molecular
La detección de fugas: La detección de fugas del refrigerante debe ser sencilla y eficaz por razones de mantenimiento, costo y seguridad. El uso de una llama o antorcha de haluro hace posible detectar y localizar minúsculas fugas de refrigerantes. Algunos refrigerantes tienen mas capacidad para fugarse que otros; mientras más denso es un refrigerante, menor es su posibilidad de fuga.
La densidad del vapor: La densidad del vapor afecta a la capacidad del compresor y al dimensionado de los tubos. Una alta densidad del vapor acompañada de un calor latente de evaporizacion relativamente elevado es conveniente en un refrigerante. Un caudal reducido hace posible la adopción de un equipo compacto y un diámetro de tubo menor. Los compresores centrífugos requieren de un refrigerante de baja densidad de vapor para el rendimiento óptimo con capacidad frigorífica relativamente baja.
Costo y disponibilidad: El costo de un
refrigerante en
unidades pequeñas, no es de mucha importancia; lo contrario sucede en
instalaciones grandes. El costo se debe
analizar bajo el
punto de vista de la eficiencia térmica y no simplemente del costo por peso. El refrigerante que absorba o ceda
calor al mínimo
costo por BTU es él más
económico, sin importar el costo por peso.
TIPOS DE REFRIGERANTES
La norma 34 de la American Society of Refrigerating Engineers clasifica los refrigerantes en varios grupos, los más importantes de estos grupos son:
· HIDROCARBUROS HALOGENADOS.
· MEZCLA ACEOTROPICAS.
· HIDROCARBUROS.
· COMPUESTOS INORGANICOS.
· SUSTANCIAS ORGANICAS NO SATURADA
I.- HIDROCARBUROS HALOGENADOS
El sistema de numeración del grupo de los hidrocarburos halogenados sigue la siguiente regla: El primer dígito a partir de la derecha es él numero de átomos de flúor en el compuesto; el segundo dígito es uno más que el número de átomos de hidrógeno del compuesto; y el tercero es uno menos que el número de átomos de carbono del compuesto. Cuando el último dígito es cero, se omite.
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Designación Numérica |
Nombre químico |
|
11 |
Tricloromonofluorometano |
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12 |
Diclorodifluormetano |
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13 |
Monoclorotrifluormetano |
|
22 |
Monoclorodifluormetano |
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30 |
Cloruro de metileno |
|
40 |
Cloruro de Metilo |
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113 |
Triclorotrifluoretano |
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114 |
Diclorotetrafluoretano |
|
114a |
Diclorotetrafluoretano |
|
152a |
Difluoretano |
II.- MEZCLA ACEOTROPICAS.
Una mezcla aceotropica de dos sustancias es una mezcla que no se puede separar en sus dos componentes por destilación. Una mezcla
aceotropica se evapora
y se condensa como una
sustancia simple,
con propiedades que son diferentes de
las de sus constituyentes. La única mezcla aceotropica comercial es el Refrigerante 500, que es una mezcla de Refrigerante 12 y Refrigerante 152ª en una proporción de 73,8 y 26,2 %. En peso respectivamente.
III.- HIDROCARBUROS.
|
Designación Numérica |
Nombre Químico
|
|
50 |
Metano |
|
170 |
Etano |
|
290 |
Propano |
IV.- COMPUESTOS INORGANICOS
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Designación Numérica |
Nombre Químico
|
|
717 |
Amoniaco |
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718 |
Agua |
|
729 |
Aire |
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744 |
Anhídrido carbónico |
|
764 |
Anhídrido sulfuroso |
V.- SUSTANCIAS
ORGANICAS NO SATURADAS.
Dos refrigerantes raramente utilizados son compuestos orgánicos no saturados. Refrigerante 1150, etileno, y Refrigerante 1270, propileno.
CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN REFRIGERANTE.
Presión de descarga condensación: Debe ser lo suficientemente baja para adaptarse a la presión de diseño de los recipientes de presión, envolventes de compresores etc. , disponibles en el comercio. Sin embargo, la presión de descarga es decir, la presión del liquido contenido en el condensador debe ser lo suficientemente alta para suministrar refrigerante liquido a todas las partes del sistema que lo requiere.
Presión de aspiración(evaporación): Debe ser mayor que aproximadamente 3.45 kPa (0.5 lb/pulg2 abs.) para una elección practica del compresor. Cuando sea posible, es mejor que la presión de aspiración sea mayor que la atmosférica para evitar la entrada de aire y humedad en el sistema. Normalmente se considera necesaria una presión positiva cuando se trata con hidrocarburos, debido al peligro de explosión por cualquier entrada de aire al interior del sistema.
Presión de reserva (saturación a temperatura ambiente): Debe ser lo suficientemente baja para adaptarse a la presión de diseño del equipo a menos de que el sistema cuente con otros medios para manejar el refrigerante durante la inactividad, por ejemplo, con la inclusión de tanques de expansión.
Temperatura y Presión criticas: Deben estar muy por encima del nivel de operación. A medida que se alcanza la presión crítica, del desobrecalentamiento del gas de descarga del compresor se libera menor calor latente que calor sensible, por lo que se reduce la eficiencia del ciclo. Suelen emplearse metano (R-50) y clorotrifluorometano (R-13) en cascada con otros refrigerantes. debido, a sus bajos puntos críticos.
Volumen de Aspiración: Determina el tamaño del compresor. los grandes volúmenes de aspiración hacen necesarios compresores centrífugos o de tornillo. y los volúmenes reducidos determinan el uso de compresores de movimiento alternativo. Los volúmenes de aspiración también suelen influir en el diseño del evaporador, particularmente a bajas temperaturas, en virtud de que debe incluirse el espacio suficiente para la separación adecuada de gas y liquido.
Punto de congelación: Debe ser menor que la temperatura de operaci6n mínima. Esto no suele ser un problema, a menos de que se use salmuera como refrigerante.
Potencia teórica: La necesaria para la compresi6n adiabática del gas es ligeramente menor con algunos refrigerantes que con otros. Sin embargo, esta suele ser una consideración secundaria contrarrestada por los efectos de la elección de equipos particulares, tales como las caídas de presión en las líneas, etc., sobre el consumo de energía del sistema.
Densidad del vapor (o el peso molecular): Es una característica importante cuando el compresor es centrifugo, debido a que los gases más ligeros requieren más impulsores para un aumento dado de la presión (carga hidrostática) o de la temperatura. Por otra parte, los compresores centrífugos tienen una limitación relacionada con la velocidad acústica en el gas, y esta velocidad disminuye al aumentar el peso molecular. Son deseables bajas densidades del vapor para minimizar la caida de presión en tuberias largas de aspiración y descarga.
Densidad del liquido: Las velocidades del liquido son comparativamente bajas, de modo que la caída de presión no suele ser un problema. Sin embargo, la carga estática puede afectar las temperaturas del evaporador, y debe considerarse cuando es necesario suministrar 1iquido a partes elevadas del sistema.
Calor latente: Este calor ha de ser elevado, en virtud de que reduce la cantidad de refrigerante que es necesaria hacer circular. Sin embargo, los grandes flujos son más fáciles de controlar debido a que permiten el uso de dispositivos de estrangulación y aberturas mas grandes y menos sensibles.
Costo del refrigerante: Depende del tamaño de la instalación y debe considerarse tanto desde el punto de vista de la carga inicial como de la composición, debido a las pérdidas que ocurren durante el servicio. Si bien un refrigerador doméstico contiene una cantidad de refrigerante de costo relativamente bajo, la carga de una planta química típica puede tener un costo muy elevado.
Otras propiedades deseables: Los refrigerantes deben ser estables y no corrosivos. En base a consideraciones de transferencia de calor, un refrigerante debe tener baja viscosidad, elevada conductividad térmica, y alto calor especifico. Con fines de seguridad para personas y bienes, un refrigerante no debe ser tóxico inflamable, contaminar la atmósfera u otros productos en caso de fuga y tener baja tendencia a la fuga en materiales de construcción normales.
REFRIGERANTES MÁS COMUNES
REFRIGERANTES DE BAJA PRESIÓN Y ALTA TEMPERATURA.
Utilidad: Aire acondicionado (teatros, oficinas, auditorios, equipos de enfriamiento,...).
Refrigerantes: Freón 113, Freón 11, Dicloroetano, Tricloroetano, Clorometano, Agua.
REFRIGERANTES DE PRESION MEDIA Y TEMPERATURA MEDIA.
Utilidad: Doméstica (refrigeradores, enfriadores de agua...); comercial (refrigeradores, cámaras de refrigeración...); industrial.
Refrigerantes: Freón 12, Freón 114, Clorometano, Dioxido de Azufre, Isobutano.
REFRIGERANTES DE ALTA PRESION Y BAJA TEMPERATURA.
Utilidad: Industrial (cremerías, cervecerías, fábricas de helados);doméstica y comercial (congeladores).
Refrigerantes: Amonicaco, Dioxido de Carbono, Freón 22, Freón 12, Propano,Kulene 131.
REFRIGERANTES DE MUY ALTA PRESION Y MUY BAJA TEMPERATURA.
Utilidad: Industrial (Túneles de viento aerodinámicos,metalurgia, licuefacción de gases).
Refrigerantes: Eteno, Etano, Freón13, Freón 14.
REFRIGERANTES SECUNDARIOS.
Agua, cloruro de sodio, cloruro de calcio, eteno, glicol etilénico, metano, glicerina...
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CUADRO SINOPTICO |
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R |
Punto Ebullición (OC) |
Tipo Compresor |
Aplicación |
Toxicidad
(ppm) |
Inflamabilidad |
Sustituto |
|
|
FREON 11 |
23,8 |
CENTRIFUGO |
TURBO COMPRESOR, |
1000 |
NO |
HCFC-123 |
|
|
FREON 12 |
-29,8 |
ALTERNATIVO ROTATIVO,
CENTRIFUGO |
Aire acondicionado, refrigeración en general, turbocompresor de
tamaño grande y de baja temperatura |
1000 |
NO |
HFC-134a |
|
|
FREON 13 |
-81,4 |
ALTERNATIVO ROTATIVO |
Equipo de super baja temperatura |
|
|
|
|
|
FREON 21 |
8,9 |
idem |
Enfriador de cabina para grúa |
|
|
|
|
|
FREON 22 |
-40,8 |
ALTERNATIVO,
.................... CENTRIFUGO |
Aire acondicionado, refrigeranción en general, congelador de
varios tipos, equipos de baja temperatura
......................................
turbo compresor de tamaño grande, y baja temperatura |
1000 |
NO |
|
|
|
FREON 113 |
47,6 |
CENTRIFUGO |
TURBO COMPRESOR DE TAMAÑO PEQUEÑO |
|
|
|
|
|
FREON 114 |
3,6 |
ALTERNATIVO ROTATIVO
........................
CENTRIFUGO |
Enfriador de cabina para grúa
..................................................
Turbocompresor |
1000 |
NO |
HCFC-124 |
|
|
FREON 500 |
-33,3 |
ALTERNATIVO ROTATIVO
...........................
CENTRÍFUGO |
Aire acondicionado, refrigeranción en general
......................................................Turbo
compresor de tamaño grande y de baga temperatura |
|
|
|
|
|
FREON 502 |
-45,6 |
alternativo Rotativo |
Caja de exposición,Unidad para baja temperatura, Refrigeración en general, Aire Acondicionado |
1000 |
NO |
BLEENDS HP |
|
|
AMONIACO |
|
ALTERNATIVO,
.....................
CENTRIFUGO |
Equipo para fabricar hielo, Equipo de Refrigeración para
salmuera, Congelación de varios tipos, Equipo (enfriador de
plantas)
.......................................
pista de patinaje de hielo, para enfriar salmuera,para enfriar
plantas químicas. |
|
SI |
|
|
|
134a |
|
|
|
|
NO |
AUTOS |
|
|
ETANO |
|
|
|
|
SI |
|
|
|
PROPANO |
|
|
|
|
SI |
|
|
BIBLIOGRAFIA.
W. F. STOECKER
. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire, Editorial Mc Graw-hill , Primera edición en español, Mexico 1970.
HERNADEZ GORIBAR EDUARDO. Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración, Editorial Limusa, Primera Edición, Mexico 1973.
NATIONAL SCHOOL S, Refrigeración , Editorial Pan-american, Mexico 1970.
DOSSAT J. ROY. Principios de Refrigeración, Editorial Continental, Primera Edición, Mexico 1974.
ENCICLOPEDIA TECNICA Y MECANICA OCEANIA
MANUAL DUPONT, Alternativas en gases refrigerantes, Camara Venezolana de Ventilación, Aire Acondicionado y Refrigeración.
CATALOGO CARRIER
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