Indice de contenido
PRINCIPIOS DE LA REFRIGERACIÓN
El principio básico que se utiliza en la refrigeración es la evaporar un líquido. Este proceso roba calor (o produce frio).
Como el agua para evaporarse necesita 538,4 Kcal (calor latente) se podría utilizar de refrigerante ya que robaría calor de un cuerpo que se encontrara a más temperatura.
Para refrigeración se utilizan refrigerantes como el R-134a, R-449A, R-32, etc, que tienen puntos de ebullición muy bajos y por consiguiente son muy volátiles y se deben de conservar en recipientes herméticos sometidos a presión.
Si en el interior de este recipiente tenemos R-134a líquido a -26ºC y la temperatura ambiente en el exterior de la botella es de +30ºC, el refrigerante empezaría a robar calor y a evaporarse.
Al estar la botella cerrada aumentaría la presión de la botella hasta 6,69 bar que es la presión equivalente a 30ºC de este refrigerante.
Podemos aprovechar esta característica para enfriar una habitación si colocamos un recipiente con refrigerante sometido a la presión atmosférica.
A la presión atmosférica el R-134a evapora a -26,07 ºC, por lo tanto podríamos mantener la habitación a +4ºC perfectamente.
Este sistema de refrigeración no sería factible ya que el refrigerante se lanza a la atmósfera sin posibilidad de recuperarlo.
Si provocamos una depresión en el escape podríamos evaporar a temperaturas más bajas al disminuir la presión.
El inconveniente sería el mismo que en el caso anterior ya que no aprovechamos el refrigerante evaporado.
FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA FRIGORÍFICO
Si queremos conseguir que el evaporador de una cámara se mantenga a -10ºC el compresor ha de conseguir aspirar el refrigerante R-134a a 1 Bar.
1.- Para que se evapores todo el líquido en el evaporador ha de existir una diferencia de temperatura.
En el momento que se ha evaporado el líquido, el gas empieza a robar temperatura del exterior y se recalienta. Con un termómetro podremos saber donde hay líquido o gas ya que el líquido tiene mayor poder de absorcion del calor que el gas.
2.- La presión se mantiene constante en todo el evaporador (excepto las pérdidas de carga). A la salida del evaporador el refrigerante es 100% gas y se aisla la tuberia hasta el compresor para evitar más recalentamiento.
3.- El gas cuando llega al compresor es aspirado y lo expulsa a una presión superior (lo comprime) y a una temperatura superior.
4.- Para volver a utilizar el refrigerante debemos licuarlo en el condensador.
Para conseguir la condensación del refrigerante tembién ha de existir una diferencia de temperatura entre el condensador y el aire externo (o fluido utilizado para condensar).
Una vez condensamos todo el gas en líquido, subenfriamos el líquido. 4/6 partes del condensador tienen la misión de condensar y 1/6 en subenfriar.
El manómetro de alta nos indica la presión a la cual condensa y es constante en toda la parte de alta..
5.- El refrigerante que proviene del condensador se almacena en el recipiente en estado líquido.
DIAGRAMA ENTALPICO DE MOLLIER
El diagrama de entalpía o diagrama de Mollier permite simplificar los cálculos generales que se encuentran en refrigeración. Esto permite en particular encontrar los valores siguientes:
- Presión del condensador.
- Presión del evaporador.
- Relación de compresión.
- Calor máximo del líquido.
- Calor máximo del vapor.
- Calor latente del fluido frigorígeno.
- Producción frigorífica.
- Volumen específico del gas de salida del evaporador.
- Entropía del gas.
- Temperatura del gas, después de la compresión.
- Energía necesaria de trabajo de compresión
- Calor, disipado en el condensador.
El diagrama presión-calor máximo o entálpico se representa esquemáticamente de la forma siguiente:
- Sobre el eje vertical se encuentran las presiones, que son generalmente presiones absolutas.
- El eje horizontal está graduado en calorías por kilogramo de fluido, está indicando el calor total del fluido en estado considerado.
- Entre estos dos ejes se encuentra de izquierda a derecha, las características del fluido, en estado líquido saturado (liquido que no contenga vapor) pues las diversas cualidades de los fluidos contienen % de vapor mezclado con el líquido.
Encontrando después la curva del vapor saturado, vapor, que no contiene nada de líquido, esta es la condición del vapor al final del evaporador.
A la derecha de esta curva, tres series de curvas dan los valores de entropías, de volúmenes específicos y de la temperatura para el vapor saturado y recalentamiento.
UTILIZACION PRÁCTICA DEL DIAGRAMA ENTÁLPICO PARA EL R-134a
Suponiendo la evapiración a -10ºC y la condensación a +45ºC, en el depósito de líquido la temperatura de este es de +40ºC (punto A del diagrama)
La presión absoluta es de 11,6 bar.
· Paso a través de la válvula de expansión:
Durante el paso a través del reductor, la temperatura y la presión bajan asegún AB’ del diagrama, la temperatura desciende a la evaporación: -10ºC y la presión absoluta a 2 bar.
Un golpe de vista al diagrama permite constatar que en ese momento no hay líquido saturado, sino una mezcla de líquido y gas en la proporción de 34% vapor y 66% de líquido.
El 34% de líquido que se ha vaporizado es el que ha servido para bajar de temperatura el líquido de +40ºC a -10ºC.
Si prolongamos verticalmente el trazo AB’ hasta encontrarse con el eje de ordenadas nos da un valor de calor total de 257 KJ/kg de refrigerante (punto B).
· Paso a través del evaporador:
El paso a través del evaporador está representado por la recta BC’.
En el curso de este paso la temperatura es constante -10C, así como la presión 2 bar (absolutos).
Poco a poco, a medida que el fluido pasa por el evaporador, va de B hacia C y el 66% de líquido se convierte en vapor saturado, o sea que tendremos un 100% de gas en el punto C.
Al proyectar verticalmente el punto C a la línea de ordenadas podemos ver la cantidad de calor que contiene el vapor saturado 392 KJ/kg
El vapor saturado a la salida del evaporador se recalienta unos 7ºC desde el evaporador hasta que llega al compresor, , con lo que queda a una temperatura e -3ºC y nos plantamos en el punto D del diagrama. Si proyectamos verticalmente la línea, la cantidad de calor que contiene este vapor recalentado es de 399 kj/kg
· Producción frigorífica:
392 KJ/kg a la salida, menos 257 KJ/kg a la entrada son 135 KJ/kg de refrigerante.
Por lo tanto.
Tenemos que 1 KJ/kg = 0,2777 w/kg
Y multiplicamos: 135 KJ/kg x 0,2777 = 37,49 w por kilo de refrigerante.
La cantidad de refrigerante que será necesario para que circule por el evaporador (a -10ºC y +40ºC para 100 watios será:
O sea que será necesarios bombear 2,67 kg de R-134a a la hora para obtener 100w/h.
Para 1000 watios será necesario:
Paso a través del compresor:
Suponiendo que el gas penetra en el compresor totalmente vaporizado, el paso a través del cilindro está representado por la línea EF que es la curva de entropía constante.
En el punto E, la compresión comienza y queda terminada en el punto F, en este momento la temperatura del gas está entre 70ºC y 80ºC.
Si prolongamos F sobre el eje de las ordenadas, nos encontramos al final de la compresión tenemos 455 KJ/Kg.
Energía necesaria para la compresión
La diferencia entre 455 entre el final del compresión y 399 a la entrada de compresión son 56 KJ/Kg (15 w/h ) que es el calor equivalente al trabajo del compresor.
Anteriormente hemos visto que eran necesarios 26,7 Kg/h de refrigerante R-134a para conseguir 1000w, por lo tanto:
15 x 26,7 = 400,5 w
La equivalencia calorífica de 1CV/hora es de 736w la potencia teórica necesaria será de:
Volumen específico
Dentro del punto E se encuentra un valor importante que es el volumen específico del vapor. Este valor se encuentra en la línea verde y tenemos 0,102.
Con este valor podemos obtener la cilindrada del compresor. Como para obtener 1kw nos hacen falta 26,7 kg de fluido y que este fluido está formado por gas a un volumen específico de 0,102
26,7 x 0,102 = 2,72 m3/h
Si el compresor debe producir 1kw por hora, deberá disponer de unos cilindros con un desplazamientod e 2,72 m3/h
Paso a través del condensador
De F a A el fluido comprimido atraviesa el condensador.
En esto hay dos etapas, en la primera, el vapor recalentado pasa de F a G.
Aquí todavía no hay condensación sino simple enfriamiento del gas donde la temperatura pasa de +80ºC a +45ºC cuando alcanza el punto G sobre la curva de vapor saturado. Esto sucede en las primeras espiras del condensador.
A partir de aquí empieza la condensación hasta el punto H donde tenemos 100% líquido.
De aquí volvemos al punto A.
Capacidad del condensador
455KJ/Kg a la entrada del condensador, menos 258KJ/Kg que tenemos a la salida nos da un valor de 197KJ/Kg, que es calor que extrae el condensador a un kilo de refrigerante.
197KJ/kg x 0,2777 w/kg = 54,7 w/kg
54,7 w/kg x 26,7 kg/h = 1460,49 w
Para producir 1kw necesito un condensador de 1,46 kw