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MEXICO, D. F. MAYO DE 2006 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN “AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA AREA: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA P R E S E N T A : A D Á N B A R D A L E S H E R N Á N D E Z ASESOR: ING. ADRIAN PAREDES ROMERO UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Doy gracias A DIOS por permitirme lograr este gran sueño y por darme la oportunidad de vivir. A la Universidad Nacional Autónoma de México y a la Facultad de Estudios Superiores Aragón, por haberme dado la oportunidad de formarme como un profesionista. Al Fideicomiso para el ahorro de energía eléctrica, por haber aceptado mi proyecto como viable para estudio en esta magna institución, por la facilidad otorgada durante la recopilación y análisis de información, que sé, en ningún otro lugar hubiese encontrado y por el generoso patrocinio que, entre otras cosas, coadyuvó a concluir esta empresa. A mis Padres y Hermanas, a quienes la ilusión de su vida ha sido convertirme en persona de provecho, a quines nunca podré pagar todos sus desvelos ni aún con las riquezas más grandes del mundo. Porque gracias a su amor, apoyo y consejo, he llegado a realizar una de mis más grandes metas. Deseo de todo corazón que mi triunfo profesional lo sientan como suyo. A mi Novia Armida Artemís Benavides Durán, te dedico este logro, gracias por tu compañía incondicional, por tu más sincero apoyo para la realización de este proyecto, por hacerme partícipe de tu calidez, por compartir conmigo tantas cosas y brindarme lo mejor de ti, por tu confianza y por tanto amor que me das, por todo esto y mucho más gracias. Te Amo Gogocito. Al Ingeniero Marco Antonio Félix Quiroz, por su tiempo, por si invaluable ayuda, por la paciencia y la certeza que demostró siempre, en cada momento; por la amistad valorada cual si hace muchos años hubiese surgido. Mil Gracias. A mis sinodales: Ing. Adrián Paredes Romero M. en I. Ulises Mercado Valenzuela Ing. Sergio Galicia Rangel Ing. Juan Gastaldi Pérez Ing. José Luis García Espinoza AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN ÍNDICE INTRODUCCIÓN Pag. Capitulo I. CONCEPTOS BÁSICOS 1.1. Termodinámica………………………………………………………………… 1 1.2. Calor…………………………………………………………………….......... 1 1.3. Temperatura…………………………………………………………………… 2 1.4. Medida de calor…………………………………………………………........ 4 1.5. Primer principio de la termodinámica……………………………………... 4 1.6. Estados de la materia………………………………………………………... 5 1.7. Cambio de estado……………………………………………………………… 6 1.8. Ley de Boyle………………………………………………………………….. 6 1.9. Ley de Charles………………………………………………………………… 7 1.10. Ley de Gay-Lussac………………………………………………………….... 7 1.11. Ley de Dalton……………………………………………………………….... 7 1.12. Ley del gas ideal…………………………………………………………….... 7 1.13. Segundo principio de la termodinámica………………………………......... 9 1.14. Transmisión de calor……………………………………………………….... 9 1.15. Calor específico…………………………………………………………......... 11 1.16. Calor sensible……………………………………………………………….... 11 1.17. Calor latente…………………………………………………………………… 11 1.18. Calor latente de fusión………………………………………………….......... 11 1.19. Calor latente de evaporación………………………………………………… 11 1.20. Calor latente de condensación………………………………………………… 12 1.21. Calor latente de sublimación………………………………………………… 12 1.22. Sistemas………………………………………………………………………… 12 1.23. Trabajo………………………………………………………………………… 13 1.24. Energía………………………………………………………………………… 14 1.25. Potencia………………………………………………………………………… 14 1.26. Tonelada americana de refrigeración………………………………………… 14 1.27. Temperatura y presión de saturación………………………………………… 15 1.28. Temperatura absoluta.………………………………………………………… 16 1.29. Temperatura crítica…………………………………………………………… 16 1.30. Líquido sub-enfriado………………………………………………………… 16 1.31. Vapor sobrecalentado………………………………………………………... 16 1.32. Presión………………………………………………………………………… 17 1.33. Presión atmosférica…………………………………………………………… 17 1.34. Presión manométrica………………………………………………………… 17 1.35. Presión vacuométrica………………………………………………………… 18 1.36. Presión absoluta…………………………………………………………........ 18 1.37. Relación temperatura-presión (líquidos)…………………………………… 18 1.38. Relación temperatura-presión (gases)…………………………………........ 18 1.39. Volumen específico…………………………………………………………… 19 1.40. Densidad…………………………………………………………………........ 19 1.41. Entalpía …………………………………………………………………......... 19 1.42. Ciclo de Carnot………………………………………………………………… 20 1.43. Ciclo de Carnot inverso……………………………………………………… 22 Capitulo II. PRINCIPIO DE REFRIGERACIÓN 2.1. Refrigerantes…………………………………………………………………… 24 2.1.1. Clases de refrigerantes........................................................................................ 26 2.1.2. Características del R-12……………………………………………………….. 27 2.1.3. Características del R-22………………………………………………………… 27 2.1.4. Características del R-134a……………………………………………………… 28 2.1.5. Evaporación de refrigerantes…………………………………………………… 28 2.1.6. Condensación de refrigerantes………………………………………………… 28 2.1.7. Relación de refrigerantes y aceites……………………………………………… 29 2.1.8. Efectos de los refrigerantes…………………………………………………..... 30 2.2. Transferencia de calor………………………………………………………… 33 2.3. Componentes del ciclo de refrigeración……………………………………… 36 2.3.1. Compresores…………………………………………………………………… 36 2.3.1.1. Clasificación de acuerdo al principio de compresión…………………………… 38 2.3.1.1.1. De desplazamiento……………………………………………………………… 39 • Alternativos………………………………………………………………… 39 • De pistón…………………………………………………………………… 39 • De pistón tipo laberinto…………………………………………………… 40 • De diafragma……………………………………………………………… 41 • De tipo discus……………………………………………………………… 42 • Rotativos…………………………………………………………………… 43 • De tornillo………………………………………………………………… 43 • De paletas……………………………………………………………….... 44 • De anillo líquido…………………………………………………………… 44 • De lóbulos………………………………………………………………… 45 2.3.1.1.2. Dinámicos……………………………………………………………………… 47 • Centrífugos………………………………………………………………… 47 • Axiales………………………………………………………………......... 48 2.3.1.2. Clasificación de acuerdo a otros principios…………………………………… 48 2.3.1.2.1. Reciprocantes…………………………………………………………………… 48 2.3.1.2.2. De tipo abierto……………………………………………………………….... 49 2.3.1.2.3. Semi-herméticos………………………………………………………………… 50 2.3.1.2.4. Herméticos……………………………………………………………………… 50 2.3.1.2.5. De dos etapas…………………………………………………………………… 50 2.3.1.2.6. De descargadores…………………………………………………………….... 51 2.3.1.2.7. En Tándem……………………………………………………………………… 52 2.3.2. Condensadores………………………………………………………………… 53 2.3.2.1. Capacidad del condensador………………………………………………….... 53 2.3.2.2. Condensador de aire…………………………………………………………… 54 2.3.2.3. Condensador de agua…………………………………………………………… 54 2.3.2.4. Condensador de doble tubo………………………………………………….... 55 2.3.2.5. Condensador multitubular……………………………………………………… 55 2.3.2.6. Condensador evaporativo……………………………………………………… 55 2.3.3. Evaporadores………………………………………………………………....56 2.3.3.1. Tipo de evaporadores…………………………………………………………… 56 2.3.3.2. Diferencia de temperatura deshumidificación………………………………… 57 2.3.3.3. Descongelación de los serpentines……………………………………………… 57 2.3.4. Dispositivos de control de refrigerante……………………………………… 58 2.3.4.1. Válvulas de expansión termostáticas…………………………………………… 59 2.3.4.2. Válvulas de expansión de otros tipos………………………………………..... 61 2.3.4.3. Distribuidores…………………………………………………………………… 61 2.3.4.4. Tubos capilares………………………………………………………………… 61 2.3.4.5. Válvulas de flotador…………………………………………………………… 62 2.3.4.6. Válvulas solenoides………………………………………………………….... 63 2.3.4.7. Válvulas reguladoras de presión del cárter…………………………………..... 63 2.3.4.8. Válvulas reguladoras de presión del evaporador……………………………… 64 2.3.4.9. Válvulas desviadoras de gas caliente…………………………………………… 64 2.3.4.10. Válvulas de inversión…………………………………………………………… 65 2.3.4.11. Válvulas de una sola dirección………………………………………………… 66 2.3.4.12. Válvulas de paso manuales…………………………………………………..... 66 2.3.4.13. Válvulas de servicio del compresor…………………………………………… 67 2.3.4.14. Válvulas tipo Schrader………………………………………………………… 68 2.3.4.15. Válvulas de alivio……………………………………………………………… 68 2.3.4.16. Tapones fusibles………………………………………………………………… 69 2.3.4.17. Válvulas reguladoras de agua…………………………………………………… 69 2.4. Ciclo de refrigeración………………………………………………………… 69 2.4.1. Por absorción y compresión…………………………………………………… 72 2.4.2. Diagrama de Mollier (Entalpía-Entropía)……………………………………… 75 2.4.3. Proceso adiabático……………………………………………………………… 77 2.4.4. Proceso politrópico……………………………………………………………… 78 2.5. Motores eléctricos de inducción tipo jaula de ardilla……………………… 78 Capitulo III. RECOMENDACIONES PARA EL AHORRO DE ENRGÍA 3.1. Aislamiento térmico como medida de eficiencia energética………………… 82 3.1.1. Radio crítico de aislamiento…………………………………………………… 82 3.2. Efectos por la variación en la presión de succión y descarga……………… 84 3.3. Efectos del subenfriamiento y sobrecalentamiento del refrigerante……… 85 3.3.1. Efectos de subenfriamiento mediante agua o aire……………………………… 85 3.3.2. Efectos de subenfriamiento mediante vapor sobrecalentado…………………… 85 3.3.3. Efectos del sobrecalentado de vapor que sale del evaporador………………… 86 3.4. Efectos de la presencia de incondensables y humedad en el sistema……… 87 3.4.1. Niveles diferentes de vacío…………………………………………………..... 88 3.4.2. Selección de la bomba de vacío………………………………………………… 89 3.5. Ciclo economizador…………………………………………………………… 91 3.6. Uso del amoníaco (NH3)……………………………………………………… 91 3.7. Bomba de calor………………………………………………………………… 99 3.8. Nueva tecnología ahorradora de energía eléctrica en compresores……..... 103 3.8.1. Tipo tornillo…………………………………………………………………… 104 3.8.2. Tipo discus……………………………………………………………………… 106 3.9. Análisis de indicadores energéticos de los diferentes sistemas de refrigeración…………………………………………………………………… 112 3.9.1. En función del compresor reciprocante………………………………………… 113 3.9.2. En función del compresor tipo tornillo………………………………………… 114 3.10. Sistemas de control…………………………………………………………… 116 Capitulo IV. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN 4.1. Procedimiento de evaluación energética…………………………………..... 122 4.1.1. Generación……………………………………………………………………… 123 4.1.2. Transporte……………………………………………………………………... 125 4.1.3. Usuario………………………………………………………………………… 126 4.2. Recomendaciones para el ahorro de energía………………………………. 128 4.2.1. Estrategias para lograr un ahorro del 15%.......................................................... 128 4.2.2. Estrategias para lograr un ahorro del 25%.......................................................... 129 4.2.3. Otras estrategias………………………………………………………………… 130 CONCLUSIONES…………………………………………………………… 131 APÉNDICE…………………………………………………………………… 135 BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………… 161 I INTRODUCCIÓN GENERAL El uso de la refrigeración data del principio de la historia de la humanidad, pero por miles de años el agua y el hielo fueron considerados como los únicos medios de enfriamiento. En el pasado siglo hizo su aparición la refrigeración mecánica y la mayoría de los adultos de hoy en día pueden recordar cuando los sistemas de aire acondicionado eran desconocidos y cómo una hielera hacía las funciones de un refrigerador familiar. Actualmente la refrigeración en el hogar, en el mercado y en usos comerciales e industriales está tan íntimamente ligada a nuestra existencia diaria que es difícil imaginarse sin ella. Sin embargo la mayor parte de las personas que deben usar y trabajar con equipos de refrigeración no comprenden totalmente los fundamentos básicos de operación de un sistema de refrigeración. El propósito de ésta tesis es presentar un análisis de la tecnología ahorradora de energía en donde cualquier proceso de refrigeración transmita grandes cantidades de calor de modo económico, eficiente y que pueda mejorarse continuamente. Así, este trabajo se ha dividido en cuatro capítulos: en el primero se da a conocer los conceptos básicos que tratan los inicios fundamentales de la física y la termodinámica; en el segundo se analiza el principio de refrigeración, esto para comprender mejor su funcionamiento de cada uno de sus componentes, ya que de esto depende que se logren buenos resultados; el tercer capítulo aborda las recomendaciones para el ahorro de energía en donde se mencionan nuevas tecnologías y análisis de las mismas, así como también sistemas de control, para inducir a la optimización de dicho proceso; por último se trata el procedimiento de evaluación energética en sistemas de refrigeración en donde se manejan varios aspectos importantes para le reducción de la facturación eléctrica. II JUSTIFICACIÓN Debido al alto incremento en la demanda de la energía eléctrica en los últimos años, se han implementado nuevas tecnologías mucho muy eficientes en el proceso de refrigeración ya que ésta la usamos día a día para la conservación de productos de fácil descomposición y para procesos industriales, tales como la fabricación de hielo, embotellado de refrescos, enfriamiento de ácidos y aceites, pasteurización, etc. Estas tecnologías nos proporcionan un mejor aprovechamiento de energía en la refrigeración y en consecuencia un ahorro económico al operar nuestro sistema, ya que es un proceso mecánico con el que disminuimos la temperatura con respecto al ambiente y dentro de un espacio determinado, o mediante el cual logramos descender la temperatura inicial a gases, líquidos y sólidos en procesos industriales. La referencia más exacta del uso de la refrigeración se da, naturalmente, no solo en los hogares mexicanos, gracias a lo cual las mejoras y avances tecnológicos se han reflejado en las normas oficiales mexicanas, y representan un ahorro considerable de energía entre un modelo moderno y uno anterior. Lo anterior surge de la evaluación del potencial de ahorro de energía eléctrica en México al sustituir modelos de refrigeradores no actualizados de baja eficiencia por actuales de alta eficiencia. Si lo anterior se aplicara a todos los sistemas de refrigeración existentes, el ahorro de electricidad con relación al consumo actual alcanzaría 5.2 TWh al año, con una disminución de demanda aproximada de 1, 000MW. Por ello en nuestra nación se emitió la NOM-051-19971 ó “Eficiencia energética de refrigeradores y congeladores electrodomésticos, límites, métodos de prueba y etiquetado” con el propósito de establecer una base que fijase los límites máximos de consumo de energía eléctrica de los equipos comercializados de nuestro país. 1 Esta norma tuvo su última actualización en el año 2003 y entró en vigor la NOM-015-ENER-2002. III Así, las estadísticas2 señalanque, en México, la refrigeración de alimentos de tipo doméstico es causante de aproximadamente el 29% del consumo de electricidad en zonas de tipo templado y 14% en las de clima cálido, en donde se usa equipos de acondicionamiento de aire. Por otra parte los refrigeradores que se vendieron3 en los últimos siete años consumen 30% más de energía para la misma capacidad, y los comercializados antes de 1980 presentan un consumo 60% superior al de la norma vigente. Los vendedores de las tiendas departamentales no fomentan la compra de refrigeradores basada en el ahorro de energía que el aparato pueda constituir, ya que ni ellos ni los compradores conocían la diferencia de eficiencias de los actuales modelos en relación a con los anteriores, y que podían ahorrar con los primeros hasta una 30% en el consumo de energía. Los clientes se fijan principalmente en las dimensiones y características exteriores del electrodoméstico. Conforme a la norma NOM-051-ENER-2002, todos los refrigeradores domésticos que se venden en México a partir del años 2001 consumen, para una misma capacidad, 30% menos de energía eléctrica que uno con más de 10 años en buen estado. Para analizar el consumo anual de electricidad del parque de refrigeradores domésticos nacional, se emplearon los supuestos de eficiencia de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, lo que se obtiene es que la refrigeración doméstica nacional representa un total de 11.691 TWh/ año de energía eléctrica. Esta cantidad representa el 34.5% del total consumido en el sector residencial por año. Si hablamos del potencial de ahorro de energía eléctrica nacional por sustitución de refrigeradores eficientes4, el consumo total de energía eléctrica por concepto de refrigeración doméstica se reduciría a 6.487 TWh/ año, lo que representaría un ahorro anual de 5.2 TWh, (44.5%). Esta cifra es importante pues representa más de 4 veces el ahorro total por el horario de verano. 2 “Revista FIDE sobre el ahorro de energía eléctrica”.Año 14, Núm. 52, julio – septiembre de 2004. P 16. 3 Según la Asociación Nacional de Fabricantes de Aparatos Domésticos (ANFAD). 4 Con la eficiencia promedio actual, manteniendo la misma distribución por capacidades y suponiendo el mismo número de unidades. Capítulo I Conceptos básicos 1 INTRODUCCIÓN Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeración con frío y con enfriamiento; sin embargo, la práctica de ingeniería de refrigeración, trata casi enteramente con la transmisión de calor. Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser comprendidos para entender la operación de un sistema de refrigeración. CAPITULO I CONCEPTOS BÁSICOS 1.1. TERMODINÁMICA La termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza rigiendo nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. El primero y el más importante de estos principios dice: La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro. 1.2. CALOR El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de calor; por ejemplo, la energía mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en tránsito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose de los cuerpos de mayor temperatura a los cuerpos con menor temperatura. La mayor parte de la energía en la tierra proviene de la radiación del sol. Por ejemplo, la transferencia de calor de una cuchara sumergida en agua helada pierde su energía y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe energía del café y se calienta. Sin embargo, Capítulo I Conceptos básicos 2 las palabras "más caliente" y "más frío", son sólo términos comparativos o relativos. Existe energía en cualquier materia arriba del cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. 1.3. TEMPERATURA Es una medida de la energía cinética de las partículas que componen el sistema. La temperatura es la escala usada para medir la intensidad de energía, indicando la dirección en la que se moverá. También puede definirse como el grado de energía sensible contenida en un cuerpo comparándolo con otro. Cero absoluto, es el término usado por los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en la cual no existe energía, y es de -273 °C, equivalente a -460 °F. En algunos países, la temperatura se mide en Grados Fahrenheit, pero generalmente se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamada Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Grados Centígrados Unidad de medida de la temperatura, creada por el astrónomo sueco Anders Celsius (1701- 1744), tomando como referencia el punto de congelación del agua (cero grados) y el punto de ebullición de la misma (cien grados) a presión atmosférica normal. Debido al inconveniente creado por la existencia de temperaturas negativas por debajo del punto de congelación del agua, los científicos introdujeron la escala kelvin, o absoluta, que no es sino una modificación de la centígrada, la cual sigue siendo, ampliamente utilizada en las actividades cotidianas de la sociedad. Grados Fahrenheit Unidad de medida de la temperatura utilizada en los países anglosajones, pese a ser mayoritaria en el resto del mundo la escala centígrada. Es llamada así porque el físico alemán Daniel Fahrenheit, (1686-1736) construyó en 1714 el primer termómetro con mercurio en vez de alcohol, graduándolo con la escala que lleva su nombre. Otra aportación Capítulo I Conceptos básicos 3 importante de Fahrenheit a la física fue determinar que, además del agua, cada líquido tiene un punto de ebullición determinado y que estos puntos de ebullición varían con los cambios de presión atmosférica. El cero de la escala Fahrenheit corresponde a 32 grados bajo cero (la temperatura más baja que pudo conseguir el físico que le dio su nombre), y los cien grados Fahrenheit equivalen aproximadamente a la temperatura del cuerpo humano, 37 grados centígrados. Al nivel del mar, el agua se congela a 0°C ó a 32°F y hierve a 100°C ó a 212°F. En la escala Fahrenheit, la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de temperatura está dividida en 100 incrementos iguales, llamados grados Centígrados. La relación existente entre las escalas Fahrenheit y Centígrados se establece por las siguientes fórmulas: 100/180 = 5/9 Centígrados = 5/9 (Fahrenheit -32) Fahrenheit = (9/5 * Centígrados) +32 Figura I.1 COMPARACIÓN DE LAS ESCALAS DE TEMPERATURA Capítulo I Conceptos básicos 4 1.4. MEDIDA DE CALOR La medida de la temperatura no tiene ninguna relación con la cantidad de energía térmica, por ejemplo, una llama de un cerillo puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero obviamente la cantidad de energía que despide es totalmente diferente. La unidad básica para medir calor o energía térmica usada en nuestro país, es el gramo- caloría, que se define como la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua, 1°C. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95° a 100° Centígrados se requieren 5,000 gramo-calorías (un litro de agua pesa 1,000 gramos), o sea: 1,000 g * (100°C – 95°C) = 5,000 gramo-calorías Sin embargo, la unidad de calor empleada comúnmente es la kilo-caloría que equivale a 1,000gramo-calorías y que puede ser definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua, un Grado Centígrado. En el sistema inglés, la unidad de calor es la British Thermal Unit, comúnmente llamada BTU. Un BTU puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua 1°F. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura de un galón de agua (aproximadamente 8.3 libras) de 70°F a 80°F, se requieren 83 BTU, o sea: 8.3 lb * (80°F- 70°F) = 83 BTU 1000 gramo-caloría =1 kilo-caloría Kilocaloría Kcal British Termal Unit BTU 1 3.9683207 0.2519958 1 1.5. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Este principio trata básicamente sobre la conservación de la energía aplicada a un sistema de muchísimas partículas; es decir que en un sistema con una determinada energía interna, si se realiza un determinado trabajo, la energía interna del sistema variará. Capítulo I Conceptos básicos 5 1.6. ESTADOS DE LA MATERIA Las tres formas que puede tomar la materia son: sólido, líquido o gas. El plasma, un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas, con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, se considera a veces un cuarto estado de la materia. Los sólidos se caracterizan por su resistencia a cualquier cambio de forma, resistencia que se debe a la fuerte atracción entre las moléculas que los constituyen. En estado líquido, la materia cede a las fuerzas tendentes a cambiar su forma porque sus moléculas pueden moverse libremente unas respecto de otras. Los líquidos, sin embargo, presentan una atracción molecular suficiente para resistirse a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen. Los gases, en los que las moléculas están muy dispersas y se mueven libremente, no ofrecen ninguna resistencia a los cambios de forma y muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas no confinado tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. La mayoría de las sustancias son sólidas a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas, pero los estados no siempre están claramente diferenciados. La temperatura en la que una sustancia pasa del estado sólido al líquido se denomina punto de fusión, y la temperatura a la que pasa del estado líquido al gaseoso punto de ebullición. Los científicos han encontrado que toda la materia está formada por moléculas conjuntas infinitamente pequeñas que al agruparse en cierta forma crean diferentes substancias. En los sólidos y en los líquidos, las moléculas están muy juntas, mientras que en un gas las moléculas están mucho más separadas y se mueven más libremente. La energía de calor absorbida por el agua se convierte en energía molecular y, como resultado de esto, las moléculas se reestructuran cambiando el hielo en agua y el agua en vapor. Cuando el vapor vuelve a condensarse en agua, la energía molecular vuelve a transformarse en energía de calor. Capítulo I Conceptos básicos 6 1.7. CAMBIO DE ESTADO La mayoría de las substancias pueden existir en estado sólido, líquido o gaseoso, dependiendo de su temperatura y de la presión a la que se encuentren expuestas. El calor puede cambiar la temperatura y el estado de las substancias y también puede ser absorbido aun cuando no exista cambio de temperatura, como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando un líquido se transforma en vapor. Cuando el vapor se vuelve líquido, o cuando el líquido vuelve a transformarse en sólido, se despide la misma cantidad de calor. El ejemplo más común de este proceso es el agua, que existe como líquido y que puede existir como sólido en forma de hielo y como gas cuando se convierte en vapor. Como hielo, es una forma de refrigeración, absorbiendo calor mientras se derrite a una temperatura constante de 0°C (32°F). Si se coloca agua en un recipiente abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentará a la temperatura de ebullición o sea 100°C al nivel del mar (212°F). Sin importar la cantidad de calor aplicado, la temperatura no puede subir de 100°C, porque el agua se estaría evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente evitando la ebullición y se continuara agregando calor, entonces la temperatura podría nuevamente aumentarse. Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente la misma cantidad de calor que absorbió al evaporarse. Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algún proceso para causar la congelación. 1.8. LEY DE BOYLE (Proceso Isotérmico) La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente. Esto quiere decir que si el volumen del contenedor aumenta, la presión en su interior disminuye y, viceversa, si el volumen del contenedor disminuye, la presión en su interior aumenta. De la Ley de Boyle se sabe que la presión es directamente proporcional a la temperatura, esto es: 1 2 1 1 2 2 2 1 o o p V p V p V pV C p V = = = (Ley de Boyle, T = C) Capítulo I Conceptos básicos 7 1.9. LEY DE CHARLES (Proceso Isobárico) La ley de Charles establece que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta, asumiendo que la presión se mantiene constante. Esto quiere decir que en un recipiente flexible que se mantiene a presión constante, el aumento de temperatura conlleva un aumento del volumen. Las ecuaciones matemáticas de la ley de Charles, se consideran como otras características del gas perfecto: 1 1 1 2 2 2 1 2 , ó , ó V T T T T C V T V V V = = = (Ley de Charles, p = C) 1.10. LEY DE GAY-LUSSAC (Proceso Isocórico) En 1802, Joseph Gay-Lussac publicó los resultados de sus experimentos que, ahora conocemos como Ley de Gay-Lussac. Esta ley establece, que, a volumen constante, la presión de una masa fija de un gas dado es directamente proporcional a la temperatura kelvin. : 1 1 1 2 2 2 1 2 , ó , ó p T T T T C p T p p p = = = (Ley de Gay-Lussac, V = C 1.11. LEY DE DALTON La ley de Dalton establece que en una mezcla de gases, cada gas ejerce su presión como si los restantes gases no estuvieran presentes. La presión específica de un determinado gas en una mezcla, se llama presión parcial, p. La presión total de la mezcla se calcula simplemente sumando las presiones parciales de todos los gases que la componen. 1.12. LEY DEL GAS IDEAL La presión de un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene, el volumen que ocupa, la temperatura a la que se encuentra y la cantidad de sustancia que contiene están relacionadas. A partir de las leyes de Boyle-Mariotte, Charles- Gay Lussac y de Avogadro se puede determinar la ecuación que relaciona estas variables, esto es: Capítulo I Conceptos básicos 8 1 1 2 2 1 2 2 1 , ó v T vT T v T v ⎛ ⎞ = = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ; y a partir del proceso a volumen constante, 1 1 1 1 2 2 2 2 , ó p T pT T p T p ⎛ ⎞ = = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Igualando los valores de T1 y reuniendo los subíndices iguales, obtenemos 1 1 2 2 1 2 , una constante.p v p v R T T = = Consecuentemente, esta expresión pv/T tiene que ser constante para un gas particular. En términos generales y a partir del principio de Amadeo Avogadro que establece que: volúmenes iguales de todos los gases ideales a una presión y temperatura particulares, contienen el mismo número de moléculas; la Ecuación de Estado de los Gases Ideales se expresa por PV=nRT, donde: P Presión V Volumen T Temperatura n Número de Moles (número de Abogadro) R Constante de los Gases Ideales El valor de R tiene un valor de 0,082 (atm.L/k.mol). No se puede modificar una de estas variables sin que cambienlas otras. Los gases reales se comportan como gases ideales si presentan las siguientes características: • El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas. • No hay fuerza de atracción entre las moléculas. • Las colisiones son perfectamente elásticas. • Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales. Los gases tienen 3 propiedades características: (1) son fáciles de comprimir, (2) se expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan más espacio que los sólidos o líquidos que los conforman. Capítulo I Conceptos básicos 9 Figura I.2 Formas de transmisión de calor En los procesos de los Gases se manejan los siguientes términos: • Cuando el proceso es Isotérmico la temperatura permanece constante. • Si el proceso se realiza a presión constante se le llama Isobárico. 1.13. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El Segundo Principio de la Termodinámica es un poco más complicado y está relacionado con el concepto de entropía. Entropía es la medida de la energía y materia desordenada o al azar en un sistema. Este principio enuncia que la entropía siempre aumenta en un sistema cerrado. Prácticamente, esto significa que la energía fluye hacia abajo, de un estado más alto a uno más bajo. Por ejemplo, si un objeto frío o caliente están uno al lado de otro, el calor pasará del objeto caliente al frío, y no al revés. Esto también quiere decir que la energía fluye de una forma de grado alto (por ejemplo energía mecánica) a formas bajas (por ejemplo calor). El segundo principio implica que la entropía total del universo siempre está aumentando. 1.14. TRANSMISIÓN DE CALOR El segundo principio de la termodinámica, implica que el calor siempre viaja del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura. El grado de transmisión es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos. Supongamos que dos bolas de acero se encuentran juntas en una caja perfectamente aislada; una bola pesa un kilo y tiene la temperatura de 190°C, mientras que la segunda pesa 1,000 kilos y tiene la temperatura de 180°C; la cantidad de calor existente en la bola grande es mucho mayor que la de la bola pequeña; pero debido a la diferencia de temperatura, el calor viaja de la bola pequeña a la bola grande, hasta que las temperaturas se igualan. La transferencia de calor entre una región y otra del sistema o bien entre el sistema y sus alrededores puede Capítulo I Conceptos básicos 10 llevarse a cabo por tres medios diferentes: a) conducción, b,c) convección y d) radiación. Conducción es la transferencia de calor de una parte de un cuerpo a otra parte del mismo cuerpo, o de un cuerpo a otro cuerpo con el que está en contacto físico, sin que podamos apreciar un desplazamiento de las partículas que forman estos cuerpos. Cuando tomamos una pequeña varilla metálica por un extremo y calentamos el otro extremo, por ejemplo metiéndolo al fuego, muy pronto sentiremos el calor en el extremo que estamos deteniendo con nuestra mano. El calor se ha transmitido por conducción a través de la varilla. Al igual que sucede con los conductores eléctricos, no todos los cuerpos conducen el calor con la misma facilidad. Si repetimos la experiencia de la varilla pero ahora utilizando un cuchillo con mango de madera, este material impedirá en gran medida el paso del calor hacia nuestra mano. Convección es la transferencia de calor de un punto a otro punto dentro de un fluido, gas o líquido, mediante la mezcla de regiones frías con regiones calientes. En la convección "natural", el movimiento del fluido se debe exclusivamente a las diferencias locales de densidad ocasionadas por las diferencias en temperaturas en las distintas regiones del sistema. En la convección "forzada" se utilizan medios mecánicos para favorecer el mezclado, por ejemplo, cuando calentamos nuestros alimentos es muy común que utilicemos un cucharón para agitar el fluido y obtener un calentamiento más uniforme. Radiación es la transferencia de calor de un cuerpo hacia otro que no se halla en contacto con aquél, mediante ondas que viajan a través del espacio. El ejemplo de transmisión de calor por radiación más conocido por nosotros es el del calor que recibimos desde el Sol. La aplicación típica de refrigeración es una combinación de los tres procesos citados anteriormente. La transmisión de calor no puede tener lugar sin que exista una diferencia de temperatura. Los diferentes materiales varían en su capacidad para conducir calor: Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el asbesto tiene una gran resistencia al flujo de calor y puede ser usado como aislante. Capítulo I Conceptos básicos 11 1.15. CALOR ESPECÍFICO. El calor específico de una substancia es su capacidad relativa de absorber calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de kilo-calorías (BTU) necesarias para aumentar la temperatura de un kilo (libra) de cualquier substancia 1°C (1°F). Por definición, él calor específico del agua es 1.0, pero la cantidad de calor necesaria para aumentar las temperaturas de otras substancias varía. Se requieren únicamente 0.64 kilo- calorías por kilo (0.64 BTU por libra) para aumentar la temperatura de un kilo (libra) de mantequilla 1°C (1°F), y sólo 0.22 kilo-calorías (BTU) para aumentar la temperatura de un kilo (libra) de aluminio 1°C (1°F), por lo tanto, los calores específicos de estas dos substancias son 0.64 y 0.22 respectiva mente. 1.16. CALOR SENSIBLE. El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una substancia. En otras palabras es, como su nombre lo indica, el calor que puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la temperatura del agua se eleva de 0°C a 100°C, hay también un aumento de calor sensible. 1.17. CALOR LATENTE El calor latente es el que se necesita para cambiar de fase a una sustancia. La palabra latente significa "oculto", o sea que este calor requerido para cambiar el estado de una substancia, no es percibido por los sentidos. 1.18. CALOR LATENTE DE FUSIÓN El cambio de fase de una sustancia requiere agregar o quitar calor latente. Este también puede llamarse calor latente de licuefacción o calor latente de congelación. 1.19. CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN Es la cantidad de energía necesaria adicionada para producir el cambio de fase de líquido a vapor. Capítulo I Conceptos básicos 12 1.20. CALOR LATENTE DE CONDENSACIÓN Es la cantidad de energía necesaria a renovar para producir el cambio de fase de vapor a líquido. Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser muy eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido aunque a diferentes presiones y temperaturas. La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la substracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración. 1.21. CALOR LATENTE DE SUBLIMACIÓN El proceso de sublimación es el cambio directo de un sólido a vapor sin pasar por el estado líquido, que puede ocurrir en algunas substancias. El calor latente de sublimación es igual a la suma del calor latente de fusión y el calor latente de evaporación. 1.22. SISTEMAS En el concepto de sistema uno modela la realidad dividiéndola entre aquello que forma parte del sistema y lo que está fuera de él (exterior del sistema). Luego se estudia la interacción entre el sistema y su entorno. Es una herramienta poderosa y simple paramodelar la realidad. Los sistemas se clasifican en: Sistemas Abiertos: son los sistemas más comunes. Este tipo de sistema tiene intercambio de materia y energía con el exterior. Sistemas Cerrados: En este sistema solo hay intercambio energético con el exterior. No hay intercambio de masa. A su vez se pueden dividir en: • Sistemas No Aislados: Solo intercambio energético con el exterior. • Sistemas Aislados: No hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. Capítulo I Conceptos básicos 13 En las propiedades de sistemas, se clasifican en: • Propiedades Extensivas: Son aquellas propiedades que dependen de la masa total del sistema. • Propiedades Intensivas: Son aquellas que varían de punto a punto del sistema o bien no dependen de la masa total. Algunas de estas propiedades son variables y otras no la son. El estado de un sistema queda definido por el conjunto de valores que adquieren aquellas propiedades de sistema que pueden variar. La relación funcional que liga las variables de estado se llama ecuación de estado. Es decir: E = f(x1, x2, x3......xn) Esta relación puede ser explícita o implícita y expresable en forma matemática o no. Un principio fundamental de la termodinámica establece que para sistemas simples y puros, solo puede haber 2 variables de estado independientes. Cualquier otra variable de estado será dependiente. Aclaremos lo que entendemos por sustancias simples y puras. Se dice que una sustancia es simple cuando toda ella está en la misma fase (sólida, líquida o gaseosa) y además es homogénea en cuanto a constitución física. Una sustancia es pura si toda ella está constituida por la misma especie de materia. 1.23. TRABAJO El trabajo es el efecto creado por una fuerza cuando mueve a un cuerpo y se expresa mediante la siguiente ecuación: trabajo (W) = fuerza * distancia Sin embargo es conveniente enlazar la definición de trabajo con los conceptos de sistemas, propiedades y procesos. Por consiguiente un sistema efectúa trabajo si el único efecto sobre el medio circundante (todo lo que es exterior al sistema) pudiese ser el levantamiento de un peso, este levantamiento es, en efecto, la acción de una fuerza a lo largo de una distancia. Por tanto, el trabajo efectuado por un sistema se considera positivo tal como el realizado por Capítulo I Conceptos básicos 14 un gas al expandirse contra un émbolo y negativo el efectuado sobre un sistema, como el que realiza un émbolo al comprimir un gas. Así pues, un trajo positivo significa que sale energía de un sistema y un trabajo negativo, que entra energía a una sistema. En general, se considera trabajo como una transferencia de energía. 1.24. ENERGÍA Capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante. 1.25. POTENCIA La potencia es la rapidez (derivada con respecto al tiempo) conque se realiza el trabajo y se representa con la siguiente ecuación ( ) trabjopotencia P tiempo = Las unidades de potencia de los sistemas de ingeniería empleadas son el kilográmetro por segundo (kgf m/seg) y el pie libra por segundo (pie lbf/seg). Sin embargo, las unidades más usadas son el caballo de vapor (CV) y el caballo de fuerza (“horsepower”, hp). Con frecuencia conviene considerar el trabajo por unidad de masa de un sistema. Esta cantidad se designa por el símbolo (w) y se define por m Ww ≡ 1.26. TONELADA AMERICANA DE REFRIGERACIÓN Aun en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana basada en el efecto frigorífico de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas. Capítulo I Conceptos básicos 15 Figura I.3 Diagrama de fases 1.27. TEMPERATURA Y PRESIÓN DE SATURACIÓN Saturación es la condición de temperatura y presión en la cual el líquido y el vapor pueden existir simultáneamente. Un líquido o vapor está saturado cuando está en su punto de ebullición. Podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de presión-temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un ejemplo del diagrama de fases de una sustancia pura se muestra en la figura I.3. En el diagrama de la figura las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P, T) en las que coexisten dos fases: • En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. • En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido. • En BC coexisten en equilibrio líquido y gas. El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y gas, y se denomina Punto Triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros. El punto C indica el valor máximo (PC, TC) en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que TC y PC se denominan fluidos supercríticos Capítulo I Conceptos básicos 16 Figura I.4 Gráfica de volumen-temperatura 1.28. TEMPERATURA ABSOLUTA Si se representa el volumen de varios gases frente a la temperatura en grados centígrados, sea cual sea el gas estudiado, al disminuir la temperatura disminuye el volumen del gas. Dependiendo de la cantidad de gas usada y del tipo de gas, la línea recta que se obtiene tendrá mayor o menor inclinación, pero todas cortan el eje de las temperaturas a -273 ºC. Es decir que a esa temperatura (-273 ºC), el volumen del gas sería 0 litros, y a menores temperaturas el volumen sería negativo. Es evidente que el volumen de un gas, o de cualquier cosa, no puede ser 0 o negativo, así que -273 ºC es la menor temperatura posible, imposible de bajar. Si a la temperatura en grados centígrados se le suma 273, se obtiene una escala de temperaturas que siempre será positiva: la escala Kelvin, ya que nunca se podrán tener temperaturas menores a -273 ºC. 1.29. TEMPERATURA CRÍTICA Es la máxima temperatura a la cual es posible licuar un gas sometido a cualquier cantidad de presión. 1.30. LÍQUIDO SUBENFRIADO Es cualquier líquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de saturación correspondiente a la presión existente. 1.31. VAPOR SOBRECALENTADO Es cualquier gas cuya temperatura se encuentre arriba de la temperatura de saturación correspondiente a la presión existente. Capítulo I Conceptos básicos 17 1.32. PRESIÓN Es la medida de la fuerza por unidad de área: Pr Fuerzaesión Área = En el Sistema Internacional (SI) las unidades de presión se miden en newtons por metro cuadrado, denominados pascales. La presión a veces se mide, no como la presión absoluta, sino como la presión por encima de la presión atmosférica, también denominada presión normal. 1.33. PRESIÓN ATMOSFÉRICA La presión atmosférica es la fuerza que el peso de la columna de atmósfera por encima del punto de medición ejerce por unidad de área. La unidad de medición en el sistema métrico decimal es el hectoPascal (hPa) que corresponde a una fuerza de 100 Newton sobre un metro cuadrado de superficie. La variación de la presión con la altura es mucho mayor que la variación horizontal, de modo que para hacer comparables mediciones en lugares distintos, hay quereferirlas a un nivel común (usualmente el nivel del mar). 1.34. PRESIÓN MANOMETRICA Es aquella presión que mide un manómetro pero siempre y cuando ésta presión este por arriba de la atmosférica. La presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. La tabla No. 1 demuestra la relación de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las condiciones atmosféricas sean normales. Tabla I.1 RELACIÓN DE PRESIONES A DIFERENTES ALTITUDES PRESIONES PUNTO DE ALTITUD MANOMETRICA ABSOLUTA ATMOSFÉRICA EBULLICIÓN metros Pies Kg/Cm2 PSIG Kg/Cm PSIA mm. Hg. Pulg. Hg. °C °F 0 0 0 0 1.03 14.7 760 29.92 100 212 305 1000 0 0 1.00 14.2 733 28.85 99 210 610 2000 0 0 0.96 13.7 707 27.82 98 208 915 3000 0 0 0.93 13.2 681 26.81 97 206 1220 4000 0 0 0.89 12.7 656 25.84 96 205 1525 5000 0 0 0.86 12.2 632 24.89 95 203 Capítulo I Conceptos básicos 18 1.35. PRESIÓN VACUOMETRICA Es aquella lectura negativa que mide un vacuometro, pero siempre y cuando esta presión, sea menor que la atmosférica. 1.36. PRESIÓN ABSOLUTA La presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica más la presión atmosférica. Las presiones inferiores a 0 K/Cm2 (PSIG) son realmente lecturas negativas en los manómetros y se llaman milímetros (pulgadas) de vacío. La presión absoluta en milímetros (pulgadas) de mercurio, indica los milímetros (pulgadas) de mercurio que una bomba de vacío perfecta debería obtener teóricamente. 1.37. RELACIÓN TEMPERATURA-PRESIÓN (Líquidos) La temperatura a la cual hierve un líquido depende de la presión sobre este líquido. La presión del vapor de un líquido, que es la presión causada por las pequeñas moléculas al tratar de escapar del líquido para convertirse en vapor, aumenta con la temperatura hasta llegar al punto donde la presión interna de vapor iguala a la presión externa, dando lugar a la ebullición. La presión es un medio para regular la temperatura de refrigeración. Manteniendo en un serpentín de enfriamiento una presión igual a la temperatura de saturación equivalente a la temperatura deseada. 1.38. RELACIÓN TEMPERATURA-PRESIÓN (Gases) Uno de los fundamentos de la termodinámica es la llamada "ley del gas perfecto". Esta describe las relaciones existentes entre los tres factores básicos que controlan el comportamiento de un gas (presión, volumen y temperatura). En la práctica, el aire y los gases refrigerantes altamente sobrecalentados pueden considerarse gases perfectos y su comportamiento sigue las siguientes relaciones: 2 22 1 11 *Pr*Pr aTemperatur Volumenesión aTemperatur Volumenesión = Capítulo I Conceptos básicos 19 Aunque la relación de "gas perfecto" no es exacta, nos da una base para aproximar el efecto causado en un gas por el cambio en uno de las tres variables. En esta relación, tanto la presión como la temperatura deben expresarse en valores absolutos. 1.39. VOLUMEN ESPECÍFICO El volumen específico v de una substancia se define como el volumen por unidad de masa; metro cúbico por kilogramo (o bien, pies cúbicos por libras), y es el reciproco de la densidad, se expresa de la siguiente forma: 1Vv w ρ = = 1.40. DENSIDAD La densidad ρ de cualquier sustancia es su masa (no su peso) por unidad de volumen y se expresa de la siguiente forma: 3 3 3 3 log ó , ó . masa Kg ki ramosgedensidad volumen m m masa lb slugsdensidad volumen pie pie = → = → 1.41. ENTALPÍA La energía se puede clasificar como energía en transito y energía almacenada. La energía total almacenada en un cuerpo incluye varios tipos. Entre otras formas de energía almacenada se tienen la energía cinética y la potencial. La energía cinética es la energía almacenada en un cuerpo debido a su movimiento o velocidad. La energía potencial es la energía almacenada en un cuerpo debido a su posición o elevación. Los cuerpos poseen además energía adicional debido a su temperatura y presión. Se sabe que un gas que está a una presión elevada tiene energía y que el agua que está a una alta temperatura puede ceder energía calorífica. A esta energía almacenada por la temperatura y la presión se la llama entalpía (H). Además, es común en la industria de la refrigeración utilizar la frase contenido de calor con el mismo significado que tiene la palabra entalpía. Capítulo I Conceptos básicos 20 Figura I.5 Ciclo de Carnot Es importante distinguir entre temperatura y entalpía (contenido de calor). La temperatura es una medida del nivel térmico de un cuerpo. Cuando se agrega calor a un cuerpo se eleva su temperatura, pero la entalpía total o contenido de calor de un cuerpo depende de la masa del mismo, así como de su temperatura. Por ejemplo, el contenido de un dedal de acero fundido a 2500ºF posee una temperatura mucho mayor que un tanque de grandes dimensiones lleno de agua a 200 ºF, pero la entalpía del tanque de agua es mayor, lo que significa que hay más energía almacenada en el agua. Esto constituye un hecho de gran importancia, debido a que para muchas aplicaciones se puede obtener más calor del tanque de agua, a pesar de su baja temperatura. 1.42. CICLO DE CARNOT Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura I.5. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V se observa en la figura I.6. Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabática En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: Figura I.6 Diagrama p-V del ciclo de Carnot Capítulo I Conceptos básicos 21 • La presión, volumen de cada uno de los vértices. • El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. • El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo. Las etapas del ciclo se muestran a continuación: Transformación A->B (isoterma) La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal pBvB = nRT1 Variación de energía interna ∆UA→B = 0 Trabajo A B BA v v nRTW ln1=→ Calor BABA WQ →→ = Transformación B->C (adiabática) La ecuación de estado adiabática es pvr = cte ó bien, Tvr-1 = cte. Se despeja vc de la ecuación de la adiabática 1211 −− = rCrB vTvT . Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas ideal 2nRTvp CC = . Calor Q B→C = 0 Variación de energía interna ∆U B→C = ncv(T2-T1) Trabajo W B→C = -∆U B→C Transformación C->D (isoterma) Variación de energía interna ∆UC→D = 0 Trabajo C D DC v v nRTW ln2=→ Calor Q C→D = W C→D Transformación D-> A (adiabática) Se despeja vD de la ecuación de la adiabática 1211 −− = rDrA vTvT . Conocido vD y T2 se obtiene pD, a partir de la ecuación del gas ideal. pDvD = nRT2. Calor Q D→A = 0 Variación de energía interna ∆U D→A = ncr(T1-T2) Capítulo I Conceptos básicos 22 Figura I.7 Ciclo de Carnot inverso Trabajo W D→A = -∆U D→A En el ciclo completo tenemos: Variación de energía interna ∆U = ∆U B→C + ∆U D→A =0 En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero Trabajo A B ADDCCBBA v v TTnRWWWWW ln)( 21 −=+++= →→→→ Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas la relación entre los volúmenes de los vértices es D C A B v v v v = , lo que nos conduce a la expresión final para el trabajo. Calor En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 ya que vB>vA de modo que A B abs v v nRTQ ln1= En la isoterma T2 se cede calor Q<0 ya que vD<vC Rendimiento del ciclo Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido 1 21 T T Q W abs −==η 1.43. CICLO DE CARNOT INVERSO El ciclo de Carnot Inversoes considerado como el estándar de comparación dentro de los ciclos de refrigeración existentes, dado que por ser ideal da el rendimiento máximo posible por un proceso cíclico. Este será el patrón de comparación al evaluar eficiencia y operación de todos aquellos ciclos mecánicos reales que transforman el calor o energía internas en trabajo mecánico. Capítulo I Conceptos básicos 23 El ciclo de Carnot Inverso está compuesto por cuatro procesos totalmente reversibles que se ilustran en la figura I.7. 1) Una evaporación isobárica e isotérmica de 1 a 2 a una temperatura T2 donde se suministra al fluido una cantidad de calor Q. 2) Una comprensión isoentrópica o adiabática donde el refrigerante pasa de una temperatura T2 a una T3 (donde T3 > T2) al realizar un trabajo sobre el gas. 3) Una condensación isobárica e isotérmica de 3 a 4 a una temperatura T4, al ceder una cantidad de calor Q al receptor. 4) Una expansión isoentrópica o adiabática donde el fluido pasa de una temperatura T4 hasta la inicial T1 (donde T4 > T1). Para obtener un ciclo de refrigeración se emplea una bomba calorimétrica, donde el líquido a evaporar a presión constante, permite absorber calor a temperatura constante. Este líquido refrigerante puede ser desde un glicol éter o producto halogenado hasta agua, dependiendo de las condiciones de operación requeridas y la aplicación industrial. Capítulo II Principio de refrigeración 24 CAPITULO II PRINCIPIO DE REFRIGERACIÓN 2.1. REFRIGERANTES En la refrigeración el proceso de almacenamiento de energía se lleva a cabo mediante el cambio de temperatura o por cambio de estado; sin embargo para lograr un sistema óptimo es mucho más recomendable realizarlo mediante cambio de estado, ya que de esta forma almacena un mayor porcentaje de energía comparado con el primer proceso mencionado, por lo tanto se logra obtener un mejor efecto refrigerante al introducir menor trabajo, obteniendo considerablemente mayor energía. En la refrigeración mecánica se requiere un proceso que pueda transmitir grandes cantidades de calor económica y eficientemente, y que pueda repetirse continuamente. Los procesos de evaporación y condensación de un líquido son por lo tanto los pasos lógicos en el proceso de refrigeración. El refrigerante es cualquier materia que actúa como medio de transporte de energía térmica. Un refrigerante ideal debe cumplir las siguientes propiedades: • Ser químicamente inerte hasta el grado de no ser inflamable, ni tóxico, ni explosivo, tanto en estado puro como cuando esté mezclado con el aire en determinada proporción. • No reaccionar desfavorablemente con los aceites o materiales empleados en la construcción de los equipos frigoríficos. • No reaccionar desfavorablemente con la humedad, que a pesar de las precauciones que se toman, aparece en toda instalación. • Su naturaleza será tal que no contamine los productos almacenados en caso de fuga. • El refrigerante ha de poseer unas características físicas y termodinámicas que permitan la máxima capacidad de refrigeración con la mínima demanda de potencia. • La presión de descarga de cualquier refrigerante siempre disminuye a medida que Capítulo II Principio de refrigeración 25 baja la relación de compresión. Por lo tanto deseamos que la presión de descarga sea la más baja posible para alargar la vida del compresor. • El coeficiente de transferencia de calor conviene que sea lo más elevado posible para reducir el tamaño y costo del equipo de transferencia de calor. • La relación presión-temperatura debe ser tal que la presión en el evaporador para la temperatura de trabajo sea superior a la atmosférica, para evitar la entrada de aire y de humedad en el sistema en caso de fuga. • Temperatura y presión crítica, lógicamente el punto de congelación deberá ser inferior a la temperatura mínima de trabajo. • Finalmente ha de ser de bajo precio y fácil disponibilidad. Los refrigerantes son nombrados por una R y tres cifras: a la primera cifra se le suma 1 para obtener el número de átomos de carbono que contiene la molécula. A la segunda se le resta 1 para obtener el número de átomos de Hidrógeno. La tercera se refiere al número de átomos de fluor. El resto de valencias, salvo que se indique lo contrario, quedan cubiertas con cloro. Por ejemplo la fórmula del R-245 sería: Carbono: 2+1=3 átomos Hidrógeno: 4-1=3 átomos Fluor: 5 átomos El resto de valencias cubiertas con cloro no existen. Cuando sólo aparezcan dos cifras se entiende que la primera no escrita será cero. Así tendríamos: R-11 Carbono: 0+1= 1 átomo Cl Hidrógeno: 1-1= 0 átomo Cl C F Flúor: 1 átomo Cl Resto: Cloro Capítulo II Principio de refrigeración 26 2.1.1. Clases de refrigerantes Existen en la actualidad tres tipos de refrigerantes de la familia de los hidrocarburos halogenados: a) CFC: (Flúor, Carbono, Cloro), Clorofluorocarbono totalmente halogenado, no contiene hidrógeno en su molécula química y por lo tanto es muy estable, esta estabilidad hace que permanezca durante largo tiempo en la atmósfera afectando seriamente la capa de ozono y es una de las causas del efecto invernadero. (R-11, R-12, R-115). Esta prohibida su fabricación desde 1995. b) HCFC: (Hidrógeno, Carbono, Flúor, Cloro), Es similar al anterior pero con átomos de hidrógeno en su molécula. La presencia de Hidrógeno le confiere menos estabilidad, en consecuencia, se descompondrá en la parte inferior de la atmósfera y no llegará a la estratosfera. Posee un potencial reducido de destrucción de la capa de ozono. Su desaparición está prevista para el año 2015. (R-22) c) HFC: (Hidrógeno, Flúor, Carbono). Es un Fluorocarbono sin cloro con átomos de hidrógeno sin potencial destructor del ozono dado que no contiene cloro. (R-134a, 141b). Los nuevos refrigerantes (HFC) tenderán a sustituir a los CFC y HCFC: TABLA II.1 SUSTITUCIÓN DE LOS REFRIGERANTES USO O SERVICIO CFC/HCFC HFC Limpieza R-11 R-141b Temperatura media R-12 R-134a/R-409 Baja temperatura R-502 R-404/R-408 Aire Acondicionado R-22 R-407c Los refrigerantes pueden ser puros o mezcla de diferentes gases, las mezclas pueden ser azeotrópicas o no azeotrópicas. Las mezclas azeotrópicas están formadas por tres componentes y se comportan como una molécula de refrigerante puro. Empiezan por 5 (R-500, R-502). Capítulo II Principio de refrigeración 27 Las mezclas no azeotrópicas están formadas por varios componentes pero la mezcla no se comporta como una molécula de refrigerante puro. Por lo tanto la carga de refrigerante que funciona con estos gases se ha de realizar siempre por líquido ya que cada gas se comporta diferente en estado gaseoso. Empiezan por 4 (R-404, R-408, R-409). Aparte este tipo de mezclas tiene deslizamiento, lo que quiere decir que a la misma presión la temperatura es diferente si está en estado gaseoso o en estado líquido. Este deslizamiento puede ser desde 1º hasta 7ºC. Estos gases no son tóxicos en estado normal pero desplazan el oxígeno produciendo asfixia. Cuando están en contacto con llamas o cuerpos incandescentes el gas se descompone dando productos altamente tóxicos y capaces de provocar efectos nocivos en pequeñas concentraciones y corta exposición. Los refrigerantes que empiezan por 7, indican que son fluidos inorgánicos. Por ejemplo, el amoniaco (NH3) que se denomina R-717 o el R-744 que es el anhídrido carbónico (CO2), el R-764 es el anhídrido sulfuroso (SO2). Los que empiezan por 6 son los isobutano como el R-600, se emplean en instalaciones domésticas. Son altamente inflamables. 2.1.2. Características del R-12: Era el más empleado por su buen comportamiento en general hasta su prohibición. Evapora –29.4ºC a presión atmosférica, es el más miscible con el aceite mineral, condensa a temperaturaambiente, se usa con condensadores pequeños. El R-12 absorbe poca humedad y por lo tanto forma poco ácido en comparación con los nuevos refrigerantes. Las fugas se pueden detectar con lámpara busca fugas. 2.1.3. Características del R-22: Este refrigerante es del grupo de los HCFC, inicialmente estaba diseñado para aire acondicionado pero hasta hace poco se emplea para todo. Evapora a –40,8ºC a presión atmosférica, es miscible con el aceite mineral y sintético pero en bajas temperaturas es recomendable utilizar separador de aceite. Acepta poco recalentamiento ya que de lo contrario aumentaría demasiado la temperatura de condensación. Absorbe 8 veces más Capítulo II Principio de refrigeración 28 humedad que el R-12. Actualmente se prohíbe su empleo en equipos e instalaciones nuevas excepto para equipos de aire acondicionado inferior a 100kw. Las fugas también se pueden detectar con lámpara. 2.1.4. Características del R-134a: Pertenece al grupo de los HFC, al no tener cloro no son miscibles con los aceites minerales, sólo se emplea aceite base ESTER. Evapora a –26ºC a presión atmosférica y es el sustituto definitivo para el R-12. Los HFC son muy higroscópicos y absorben gran cantidad de humedad. De los HFC el 134a es el único definitivo los demás se emplean para mezclas (R- 125, R-143a, R-152a). Se detectan las fugas mediante buscafugas electrónicos o con otros medios como colorantes o el jabón de "toda la vida". 2.1.5. Evaporación de refrigerantes Si en vez de cambiar la temperatura exterior, se disminuye la presión del sistema, se reducirá su punto de saturación, por lo que la temperatura del refrigerante líquido se encontrará por encima de su punto de ebullición y comenzará éste a hervir violentamente absorbiendo calor del proceso y gasificándose conforme se produce el cambio de estado. Ahora fluirá el calor del exterior hacía el sistema debido a la baja temperatura del refrigerante, y la ebullición continuará hasta que la temperatura exterior se reduzca a la temperatura del saturación del refrigerante, o hasta que la presión del sistema aumente a la presión de saturación equivalente a la temperatura exterior. Si existe un medio, como un compresor, para substraer el vapor del refrigerante para que no aumente la presión mientras que el refrigerante está siendo inyectado en el sistema, podrá haber una refrigeración continua. Básicamente este es el proceso que tiene lugar en el evaporador en un sistema de refrigeración. 2.1.6. Condensación de refrigerantes El refrigerante se encuentra dentro de un sistema de refrigeración con su temperatura igual a la temperatura exterior. Si se introduce gas refrigerante caliente en el sistema, la presión en el sistema de refrigeración se eleva aumentando el punto de saturación. Capítulo II Principio de refrigeración 29 Conforme el calor del vapor caliente que entra en el sistema es transferido al refrigerante líquido y a las paredes del sistema, la temperatura del vapor refrigerante se reduce hasta su temperatura de condensación y principia la condensación. El calor originado por el calor latente de condensación fluye del sistema hacia el exterior hasta que la presión en el sistema se reduce a la presión de saturación equivalente a la temperatura exterior. Si existe algún medio, tal como un compresor, para mantener una alimentación de gas refrigerante caliente en alta presión, mientras que al mismo tiempo el refrigerante líquido es substraído, ocurrirá una condensación continua. Este es básicamente el proceso que tiene lugar en el condensador de un sistema de refrigeración. 2.1.7. Relaciones de refrigerantes y aceites En compresores reciprocantes, el aceite y el refrigerante se mezclan continuamente. Los aceites de refrigeración son solubles en refrigerante líquido, y, a temperaturas normales en una cámara, se mezclan completamente. La capacidad de un refrigerante líquido para mezclarse con aceite se llama miscibilidad, y se dice que el refrigerante es miscible con aceite. El aceite que circula en un sistema de refrigeración puede ser expuesto tanto a muy altas como a muy bajas temperaturas. Debido a la naturaleza crítica de la lubricación bajo estas condiciones y al daño que pueden causar en el sistema la cera y otras impurezas del aceite, únicamente pueden usarse aceites altamente refinados y especialmente preparados para refrigeración. Cada tipo de refrigerante se suministra en botellas o cilindros que tienen franjas pintadas en un determinado código de colores. A continuación se indican los colores de los refrigerantes más comúnmente usados: • R-12 Blanco • R-22 Verde • R-113 Púrpura • R-114 Azul oscuro • R-500 Amarillo • R-502 Lila • R-717 Plata • R-134a Azul claro • R-404A Naranja Capítulo II Principio de refrigeración 30 2.1.8. Efectos de los refrigerantes En 1999 se congeló la producción y/o consumo de los Clorofluorocarbonos en los países en desarrollo, lo que nos obliga a buscar alternativas a estos gases refrigerantes. La alternativa que hasta ahora ha sido fomentada por el Fondo Multilateral del Protocolo de Montreal1 ha sido el uso del Hidrofluorocarbono 134-a (HFC-134a) como sustituto del Clorofluorocarbono R-12 (CFC-12). Lamentablemente el HFC-134a aunque no destruye la capa de ozono es un gas refrigerante que posee un elevado potencial de efecto invernadero, y a partir del Protocolo de Kyoto2 (1997) ha pasado a formar parte de la lista de los gases de efecto invernadero a ser controlados. Es importante destacar que en la mayoría de los países en desarrollo los sistemas de refrigeración doméstica (así como los aires acondicionados de vehículos) existentes, están basados en el CFC-12. Una alternativa es convertirlos a HFC-134a De acuerdo con un estudio reciente3 sobre el uso de hidrocarburos como gases refrigerantes, realizado en diferentes países, (Cuba, Costa Rica e Indonesia), existe suficiente evidencia como para indicar que el uso de esta alternativa se considere como una opción válida y como una posibilidad de acelerar la eliminación de los Clorofluorocarbonos en algunos países en vías de desarrollo. Ya existen firmas tales como CARE (Inglaterra) y Enviro-Safe (Estados Unidos), entre otros, que ya están produciendo comercialmente estos gases, además de estar trabajando en su utilización no solo a nivel doméstico sino también comercial. En Alemania existen ya refrigeradores que usan isobutano (un hidrocarburo) como gas refrigerante. 1 El Protocolo de Montreal fue suscrito en 1987. Convenio emblemático cuyo cumplimiento ayudaría a resolver un problema de los tiempos modernos: el deterioro de la capa de ozono. Reduciendo la producción de gases CFC (clorofluorocarbón), halones y bromuro de metilo. 2 En junio de 1988, coincidiendo con una época de sequedad y calor extraordinarios, un científico de la NASA, James Hansen, declaró ante el congreso de los EE.UU. que existía una fuerte "relación causa efecto" entre las altas temperaturas y las emisiones humanas de ciertos gases en la atmósfera. Hansen desarrollaría un modelo informático que predecía una elevación de la temperatura media global del planeta entre 1988 y 1997 de casi medio grado centígrado. El Protocolo de Kyoto, consiste en reducir la emisión de los gases que supuestamente estarían provocando el calentamiento del planeta, también conocidos como gases de efecto invernadero (GEI). 3 Estudio realizado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y el Fondo Multilateral para la Implementación del Protocolo de Montreal, 1999. Capítulo II Principio de refrigeración 31 TABLA II.2 EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LOS REFRIGERANTES Porcentaje en volumen de concentración en el aire Nº Identific ación Nombre químico. Fórmula química * ** *** Caracte rístic as Adv er tenc ias R-11 R-12 R-13 R-13B1 R-14 R-21 R-22 R-113 R-114 R-115 R-C318 R-500 R-502 R-744 Triclorofluormetano Diclorodifluormetano Clorotrifluormetano Bromotrifluormetano Tetrafluoruro de carbono Diclorofluormetano Clorodifluormetano 1,1,2-Triclorotrifluoretano 1,2-Diclorotetrafluoretano Cloropentafluoretano Octofluorciclobutano R-12(73,8%)+R- 152a(26,2%) R-22(48,8%)+R- 115(51,2%) Anhídrido carbónico CCl3F CCl2F2 CClF2 CBrF3 CF4 CHCl2F CHClF2 CCl2FCClF2 CClF2CClF2 CClF2CF3 C4F8 CCl2F2/CH3CHF2 CHClF2/CClF2CF3 CO2 - - - - - - - - - - - - - 8 - - - - - 10 - 5 a 10 - - - - - 5 a 6 10 20 a 30 20 a 30 20 a 30 - 5 20 2,5 20 a 30 20 a 30 20 a 30 20 20 2 a 4 a b b b - a b a b b b b b c (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) R-30 R-40 R-160 R-717 R-764 R-1130 Cloruro de metileno Cloruro de metilo Cloruro de etilo Amoníaco Anhídrido sulfuroso 1,2-Dicloroetileno CH2Cl2 CH3Cl CH3CH2Cl NH3 SO2 CHCl = CHCl 5 a 5,4 15 a 30 15 a 30 0,5 a 1 0,2 a 1 - 2 a 2,4 2 a 4 6 a 10 0,2 a 0,3 0,04 a 0,05 2 a 2,5 0,2 0,05 a 0,1 2 a 4 0,01 a 0,03 0.005 a 0,004 - a f f d,e d,e f (2) (2) (3) (3) (2) R-170 R-290 R-600 R-600a R-1150 Etano Propano Butano Isobutano Etileno CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH(CH3)3 CH2 = CH2 . - 6,6 - - - 4,7 a 5,5 4,7 a 5,5 5 a 5,6 4,7 a 5,5 - g g g g g (4) (4) (4) (4) (4) * Lesión mortal o importante en pocos minutos. ** Peligrosa de los treinta a los sesenta minutos. *** Inocuo de una a dos horas Los números entre paréntesis significan: (1) Pueden producirse gases de descomposición tóxicos en presencia de llamas, su olor intenso proporciona un aviso antes de alcanzarse concentraciones peligrosas. (2) Gases de descomposición tóxicos e inflamables. (3) Corrosivo. (4) Altamente inflamable. Las letras de la columna de, características, significan: a) A altas concentraciones produce efectos soporíferos4. b) A altas concentraciones provoca una disminución de la cantidad de oxígeno, originando sofoco y peligro de asfixia. c) No posee olor característico, pero posee un margen muy pequeño entre los efectos no tóxicos y mortales. 4 Efecto soporíferos: efecto que produce sueño (tedioso, aburrido en extremo) Capítulo II Principio de refrigeración 32 d) Olor característico, incluso a concentraciones muy bajas. e) Irritante, incluso a concentraciones muy bajas. f) Muy soporífero. g) No produce lesiones mortales o importantes a concentraciones por debajo de los límites inferiores de exposición, de hecho no es tóxico. TABLA II.3 EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LOS REFRIGERANTES (EXTENSIÓN) (1) Lesión Mortal o importante en pocos minutos (2) Peligroso de los 30 a 60 minutos (3) Inocuo de una a dos horas (4) Características Las letras de la columna (4) "Características" significan: a) A altas concentraciones producen efectos soporíferos. b) A altas concentraciones provoca una disminución de la capacidad de oxígeno originado sofoco y peligro de asfixia. * Estos valores son los mínimos que junto con la presencia de adrenalina en el torrente sanguíneo como consecuencia de tensión, nerviosismo o ansiedad pueda ocasionar sensibilización cardiaca. Porcentaje en volumen de concentración en aire Nº de identificación 1.1.1.1.1.1 Nombre Químico Fórmula química (1) (2) (3) (4) R-23 R-123 R-124 R-125 R-134a Trifluormetano 2,2-dicloro-1,1,1-trifluoretano 2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano Pentafluoretano 1,1,1,2-Tetrafluoretano CHF 3 CHCl2-CF3 CHClF-CF3 CHF2-CF3 CH2F-CF3 >60* 2* 2,5* 10* 7,5* >23 0,5 10,4 10 20 5 0,1 5 5 5 a,b a,b a,b a,b a,b R-401A (53/13/34) Clorodifluormetano (R-22) 1,1-Difluoretano (R-152a) 2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano (R- 124) CHCIF2 CH3-CHF2 CHClF-CF3 5* 10 5 a,b R-401B (61/11/28) Clorodifluormetano (R-22) 1,1-Difluoretano (R-152a) 2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano(R- 124) CHCIF2 CH3-CHF2 CHClF-CF3 5* 10 5 a, b R-401C (33/15/52) Clorodifluormetano (R-22) 1,1-Difluoretano (R-152a) 2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluormetano(R- 124) CHClF2 CH3-CHF2 CHClF-CF3 2,5* 10 5 a, b R-402A (60/2/38) Pentafluoretano (R-125) Propano (R-290) Clorodifluormetano (R-22) CHF2-CF3 C3H8 CHClF2 5* 10 5 a, b R-402B (38/2/60) Pentafluoretano (R-125) Propano (R-290) Clorodifluormetano (R-22) CHF2-CF3 C3H8 CHClF2 5* 10 5 a, b R-404A (44/4/52) Pentafluoretano (R-125) 1,1,1,2-tetrafluoretano (R-134a) 1,1,1-Trifluoroetano (R-143a) CHF2-CF3 CH2F-CF3 CH3-CF3 5* 10 5 a, b R-407C (23/25/52) Difluormetano (R-32) Pentafluormetano (R-125) 1,1,1,2-tetrafluoretano (R-134a) CH2F2 CHF2-CF3 CH2F-CF3 5* 10 5 a, b Capítulo II Principio de refrigeración 33 2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR El paso de calor a través de paredes, pisos, techos varía en función del material, su área expuesta a una diferencia de temperatura, tipo de aislamiento y su espesor, y la diferencia de temperatura entre el espacio refrigerado y el aire ambiente. Ciertas letras y símbolos se usan comúnmente para denotar los factores de transmisión de calor, como se muestra a continuación. La fórmula básica de transmisión de calor (Q) a través de una barrera es: DTAUQ **= Q = Transmisión de calor (kJ) U = Coeficiente total de transmisión de calor kJ/(m2)(K) A = Área en pies cuadrados (m²) DT = Diferencia de temperaturas entre los dos lados de la barrera de calor, por ejemplo, entre la temperatura de diseño exterior y la temperatura del espacio refrigerado. La conductividad térmica (k) se defina como la facilidad para el paso a través de un material al flujo de energía térmica, en unidades de (kJ)(m)/(m2)(seg.)(K). Diferentes materiales ofrecen diferente resistencia al flujo de calor. Dado que el calor transmitido por conducción varía directamente con el tiempo, e inversamente al espesor del material, para reducir la transmisión de calor la conductividad térmica debe ser tan pequeña como sea posible y el material debe ser más grueso. La resistividad térmica (r) se define como el reciproco de la conductividad térmica o 1/k "r", es de importancia porque los valores de resistencia se pueden sumar numéricamente. 321r total rrr ++= donde r1, r2, y r3 son las resistividades individuales. Esto hace muy conveniente el uso de r para el cálculo del coeficiente total de transmisión de calor. Capítulo II Principio de refrigeración 34 El coeficiente total de transferencia de calor (U) es definido como el recíproco de la resistencia unitaria total. 1 1 1 1 L U LU h k h k = + ⇒ = + ∑ ∑ ∑ ∑ , en donde ∑(1/h) es la suma de todas las resistencias del fluido de la capa superficial, y ∑(L/K) es la suma de todas las resistencias unitarias de los materiales de la pared. L = Espesor K = Conductividad h = Gasto o flujo de energía por unidad de área. El factor U como se llama comúnmente, es el coeficiente de transmisión de calor que resulta después de considerar los efectos de conductividad, conductancia, y coeficientes peliculares superficiales, y se expresa en términos de kJ/(hora) (m2) (K). Se aplica a estructuras compuestas tales como paredes, techos, etc. Una vez que el factor U es conocido, el paso de calor por transmisión a través de una pared dada, se puede calcular por la ecuación básica de transferencia de calor: * *Q U A DT= Pruebas extensivas se han hecho por muchos laboratorios para determinar valores precisos de transmisión de calor a través de los más comunes materiales de construcción
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