Introducción

Las leyes de la termodinámica que gobiernan el movimiento del calor son explicadas en este breve artículo. Resulta de interés particular para todo aquel estudiante o mecánico que quiera profundizar en el análisis del funcionamiento del ciclo frigorífico.

Con la lectura de este artículo podremos establecer los siguientes puntos:

* Definición de la Primera Ley de la Termodinámica

* Definición de la Segunda Ley de la Termodinámica

* Equilibrio en un sistema

* Definición de Irreversibilidad

Primera Ley de la Termodinámica

La ley de conservación de la energía establece que la energía no puede ser creada ni destruida, pero puede cambiar en varias formas. El calor o energía puede ser solamente movido, pero basados en la ley para cualquier sistema, abierto o cerrado; debe haber un equilibrio de energía. Los sistemas de refrigeración y de aire acondicionados son sistemas equilibrados. El calor total o energía absorbida por el evaporador y la línea de succión, mas el calor o energía que el compresor genera hacia el refrigerante, debe ser expulsado fuera del condensador en orden de mantener el equilibrio en el sistema. Si el evaporador no puede absorber calor o el condensador no puede expulsar calor, el sistema no estará equilibrado y ocurrirá una perdida de eficiencia y capacidad.

Segunda Ley de Termodinámica

La segunda ley establece que el calor fluye desde una sustancia caliente hacia una sustancia fría. La temperatura relativa de la sustancia determina la dirección del flujo del calor. La velocidad del flujo del calor está determinada por la diferencia entre esas temperaturas y el valor de aislamiento de la sustancia, provocando que el calor sea transmitido. La cantidad de calor transmitido por un material dividido por la diferencia en temperatura de las superficies del material se denomina Conductividad térmica.

Dadas las definiciones anteriores de lo que es la energía y, que se mueve en una dirección, debe considerarse la irreversibilidad. Irreversibilidad puede definirse como la diferencia en temperatura entre el condensador y el evaporador. Por ejemplo, cuanto más grande es la irreversibilidad en un ciclo de refrigeración, operando con una carga dada entre dos niveles de temperatura fijos, resultará en una gran cantidad de energía requerida para operar el ciclo de refrigeración. Para mejorar la performance del ciclo, debe ocurrir una reducción total de la irreversibilidad en el ciclo del refrigerante.

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Introducción

Originalmente, cuando se desarrolló el concepto de sistema de refrigeración moderno a mediados del siglo 19, un pequeño número de fluidos fueron usados como refrigerantes. Estos incluían amoníaco (NH3, R717), dióxido de carbono (CO2, R744), dióxido de sulfuro, ente otros. Sin embargo, debido a la combinación de toxicidad, inflamabilidad y a algunos detalles con las presiones, estos refrigerantes fueron reemplazados por un nuevo grupo de químicos fluorados que exhibían poca reactividad, baja toxicidad y no inflamables. Sin embargo, durante la década de los años 80, se descubrió que estos refrigerantes contribuyen al deterioro de la capa ozono, tras lo cual se desarrolló el Protocolo de Montreal en el año 1987.

• refrigerante
• aire acondicionado

Leer más: Selección de gases refrigerantes para la refrigeración y el aire acondicionado

Objetivos de este artículo

Luego de leer este artículo, podremos aprender lo siguiente:

*  Explicar los efectos en el sistema de una válvula check o antiretorno defectuosa.

*  Explicar cómo determinar si la válvula check o antiretorno está funcionando incorrectamente.

*  Explicar cómo una válvula inversora de cuatro vías con fugas afecta a la operación de un sistema.

*  Explicar cómo determinar si la válvula inversora de cuatro vías está funcionando correctamente.

*  Explicar los efectos de un filtro deshidratador obstruido.

*  Explicar cómo determinar si el filtro deshidratador está bloqueado.

*  Explicar cómo determinar si la válvula de expansión está funcionando correctamente.

Introducción a la bomba de calor

Dos aspectos fundamentales distinguen a un técnico mediocre de otro idóneo. Estos dos factores son la velocidad y la exactitud con la que el técnico es capaz de realizar sus trabajos. Estos dos elementos juegan un rol muy importante, sin importar el tipo de sistema que se esté reparando o asistiendo. En las bombas de calor, deben evaluarse componentes adicionales para poder diagnosticar y resolver este tipo de unidades. Este artículo técnico se concentrará en esos componentes adicionales. Desde el punto de vista mecánico, las bombas de calor se diferencian de las unidades convencionales frío / calor en que las primeras cuentan con dispositivos adicionales que incluyen:

Válvulas chek o antiretorno

Válvulas inversoras de cuatro vías.

Además de la válvula check e inversora, las válvulas de expansión y filtros deshidratadores también necesitan ser apropiadamente evaluados. Estos componentes tienden a ser construidos de forma diferente que los componentes diseñados para unidades que no sean bombas de calor. Es por esta razón, que estos dispositivos serán examinados en este tratado, dando especial énfasis a las aplicaciones de bomba de calor para las cuales fueron diseñadas.

Panorama sobre las bombas de calor

A diferencia de las unidades convencionales frío / calor, los equipos con bomba de calor tienden a ser más complejos, y por lo tanto, más difíciles de reparar. En un acondicionador de aire convencional, por ejemplo, el refrigerante circula en una única dirección mientras el sistema está funcionando. En una bomba de calor, sin embargo, el refrigerante circula en diferentes direcciones dependiendo del modo de operación. El sentido de circulación del refrigerante es controlado por una válvula check o antiretorno, y por la válvula inversora de cuatro vías. Mientras estos componentes estén funcionando correctamente, la circulación del refrigerante puede ser controlada apropiadamente y el sistema funcionará adecuadamente. Sin embargo, si estos dispositivos fallan en realizar su trabajo, la operación del sistema se verá afectada y podrían ocurrir fallas aún más graves. Por ejemplo, una válvula inversora de cuatro vías que tenga una fuga interna podría permitir que la descarga de gas caliente del compresor regrese inmediatamente al puerto de succión del compresor, provocando la quema del mismo. Un técnico con poca experiencia podría acudir a reparar esta unidad, y determinar que el compresor se ha quemado, y lo reemplazará sin determinar en primer lugar, qué es lo que provocó la falla del compresor. Luego de reemplazar y poner en marcha la unidad, el técnico se mostrará sorprendido al comprobar que el compresor nuevo también está quemado! El ser capaz de responder la pregunta: ¿Por qué el compresor se deterioró? le ayudará al técnico a ubicar la causa del problema, lo que es mucho más importante que simplemente identificar el efecto, o el resultado final, del problema.

Un escenario mucho más obvio que el anterior, podría ser el siguiente. El dueño de casa llama al servicio técnico debido a que su acondicionador de aire central no funciona. El servicio técnico acude al lugar y se da cuenta que los fusibles de la línea de voltaje de la unidad condensadora están quemados. El técnico reemplaza los fusibles, y esto se queman de nuevo. Una vez más, el técnico reemplaza el fusible (sí, adivinó"¦) y estos se queman de nuevo. Este técnico está intentando solucionar el efecto, los fusibles quemados, sin intentar encontrar la causa que origina el problema. Un apropiado diagnóstico implica el identificar no solamente el efecto sino la causa que lo origina también. De manera que, para saber qué distingue a un técnico mediocre de otro idóneo, ahora se puede dibujar un panorama más completo. Un técnico idóneo con una habilidad excelente en el diagnóstico de problemas debe ser capaz de:"¢

Identificar la causa del problema.

Identificar los efectos del problema.

Identificar las causas y los efectos con rapidez y exactitud.

Tratar el cliente con cortesía, y con aspecto profesional.

Conducirse correctamente en todas las prácticas de servicio, siempre manteniendo una línea de trabajo prolija en la casa del cliente. Esto incluye las huellas de las manos en la pared, el polvo generado por el trabajo, marcas en el suelo, etc.

Dos aspectos fundamentales distinguen a un técnico mediocre de otro idóneo. Estos dos factores son la velocidad y la exactitud con la que el técnico es capaz de realizar sus trabajos. 

En este tratado sobre diagnóstico de fallas en bombas de calor (que constará de varias entregas) examinaremos los distintos componentes y le daremos al lector un panorama de cómo estos dispositivos deberían operar y qué observar cuando se intente diagnosticar un sistema que no funciona correctamente. Antes de comenzar a introducirnos en los componentes de las bombas de calor, recrearemos un escenario hipotético para analizar.

Consideremos el condensador de la siguiente figura. Este condensador tiene una válvula manual conectada entre la entrada y la salida del condensador. Esta válvula está instalada con la intención de permanecer en posición cerrada todo el tiempo, evitando que el refrigerante circula a través de ella. Podemos observar que la temperatura del refrigerante que abandona el condensador es la misma que la temperatura del refrigerante en la línea que circula hacia el dispositivo de expansión, es decir, 100º F. La válvula conectada a través del condensador está por lo tanto en posición cerrada. 

EN CONSTRUCCIÓN

Ahora vamos a considerar la siguiente situación. En la imagen inferior, la temperatura del refrigerante que sale del condensador ha aumentado a 120º F. ¿Por qué la temperatura del refrigerante aumentó de repente? Puede concluirse que el gas caliente proveniente del compresor está ingresando a través de la válvula manual que supuestamente permanece cerrada y se está mezclando con el refrigerante que sale del compresor. Esta mezcla de refrigerantes provocará una reducción en la eficiencia del sistema, ya que la temperatura del refrigerante que ingresa al dispositivo de expansión será más alta que la deseada.

EN CONSTRUCCIÓN

En este ejemplo, logramos apreciar que es posible diagnosticar y evaluar ciertos componentes de una bomba de calor sin tener que quitar o desinstalar físicamente ninguno de ellos. Este artículo y los que más adelante se publiquen, tienen la intención de enfocarse en este tipo de evaluación. Conociendo la diferencia entre qué es lo que debería suceder y qué es lo que sucede, el técnico puede efectivamente realizar su trabajo, creando un valor agregado para su clientela.

Próximamente el Capítulo 2 de este artículo.

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• bomba de calor

La cantidad de sobrecalentamiento del compresor que es necesaria para cierta aplicación puede variar. En algunas máquinas comerciales fabricadoras de hielo se necesita un sobrecalentamiento del evaporador de 3 a 5 grados para que la unidad produzca correctamente. Sin embargo, los acumuladores de la línea de succión son frecuentemente empleados por estos sistemas para agregar protección. Esto ayudará a asegurar de que todo el refrigerante que ingrese al compresor esté libre de líquido. Esto también ayuda a mantener el evaporador funcionando correctamente.

Leer más: Cantidad de sobrecalentamiento y sobrecalentamiento total

El desarrollo de ácidos en los vapores refrigerantes de un sistema frigorífico basado en la compresión del vapor, bomba de calor y acondicionadores de aire puede acortar severamente la vida del compresor y el refrigerante. Estos ácidos pueden formarse por las reacciones químicas entre los componentes y/o materiales de construcción, aceites lubricantes, y/o impurezas. La inestabilidad del refrigerante, y por ello la formación de ácidos, es acelerada por temperaturas altas las cuales pueden originarse como consecuencia de una inadecuada operación, como por ejemplo, una falla en el forzador del condensador, suciedad o flujo del aire incorrecto. La verificación de presencia de ácido en un sistema es una práctica de mantenimiento recomendada debido a que las condiciones de un sistema con presencia de ácido pueden ser eliminadas antes de que el compresor se arruine.

• ácido

Leer más: El ácido en los sistemas frigoríficos - 1º Parte

Introducción

La válvula de expansión termostática es uno de los dispositivos más importantes de un sistema frigorífico. El conocer las principales causas que provocan su mal funcionamiento ayudará al técnico a resolver problemas con la rapidez necesaria. En este artículo técnico, analizaremos los distintos problemas que suelen presentarse y la metodología a seguir para resolver los mismos.

Para determinar si el funcionamiento de la válvula de expansión termostática es la correcta, es necesario hacer la medición del recalentamiento de la misma. Hay que recordar que los pasos fundamentales en el análisis sistemático son los siguientes:

• válvula de expansión

Leer más: Análisis de la válvula de expansión termostática

La importancia de evitar la entrada de gases no condensables en los sistemas frigoríficos.

Los gases no condensables, tal como su nombre implica, no son capaces de condensarse dentro del condensador de un sistema de refrigeración o aire acondicionado a diferencia de los refrigerantes. Esto puede tener un serio impacto en las condiciones de operación de un sistema, eficiencia energética, y tiempo de vida de la unidad. En este artículo técnico exploraremos posibles fuentes de origen de gases no condensables, los efectos indeseables de los mismos y las maneras de prevenirlo y quitarlo de un sistema frigorífico.

• no condensable

Leer más: Problemática de los gases no condensables en sistemas frigoríficos

El motor eléctrico es un componente fundamental en los compresores que forman parte de un sistema frigorífico. El bombeo y aspiración del refrigerante se llevan a cabo merced al trabajo realizado en conjunto por el motor eléctrico y los elementos mecánicos que forman parte del grupo compresor (cigueñal, biela, pistón, etc). Dado el amplio uso de los motores eléctricos en Refrigeración y Aire Acondicionado, es importante para el Técnico comprender las implicaciones que sobre éstos tienen, las variaciones en la tensión de alimentación de los mismos. A continuación analizaremos los distintos casos que se pueden presentar y sus consecuencias.

Efectos de la variación de la tensión en los motores

Aumento de tensión:

* En la mayoría de los casos producen la destrucción del aislante de los devanados, cosa que acaba destruyendo el motor.

* Disminuye considerablemente el factor de potencia.

* Disminuye la eficiencia del motor.

* Aumenta la corriente absorbida durante el arranque. Este aumento de corriente se agrava por la saturación de la máquina.

* Una disminución del voltaje produce un incremento en el factor de potencia.Disminución de tensión:

* Disminuye el torque de arranque disponible.

* Disminuye la eficiencia del motor.

Efectos de fases desequilibradas: un sistema trifásico está desequilibrado cuando sus tres tensiones tienen amplitud diferente o no están a 120º entre cada una de ellas. El desequilibrio puede deberse a la apertura de las fases, a la presencia de cargas monofásicas próximas al motor o a la red en sí misma.

"¢ El desequilibrio en la tensión de alimentación del motor genera una componente inversa que crea fuertes corrientes rotóricas que calientan el rotor y acaban provocando el sobrecalentamiento del motor.Efectos de las caídas y cortes de tensión en los motores: una caída de tensión es una pérdida repentina de tensión en un punto de la red de alimentación. 

Efectos sobre los motores asíncronos:

* Calentamiento y fatiga electrodinámica en los devanados que puede causar la destrucción de su aislante.

* Sacudidas que provocan fatiga mecánica anormal en acoplamientos, desgaste prematuro y rotura.

* Pueden afectar otras partes como contactores (desgaste del contacto o soldadura) y provocar que dispositivos de protección corten el suministro parando la cadena de producción o el taller.

Efectos sobre motores síncronos:

* Este tipo de motores pueden soportar mayores caídas de tensión (aproximadamente un 50% o más) sin llegar a calarse, debido a su mayor inercia y al menor impacto de la tensión en el par.
Efectos sobre motores con variación de velocidad:

* Imposibilidad de suministrar suficiente tensión al motor (pérdida de par, ralentización)

* Funcionamiento incorrecto de los circuitos de control alimentados por la red.

* Posible sobrecorriente en restaurar la tensión debido a los condensadores de filtrado de los variadores. 

*  Sobrecorriente y corriente desequilibrada en la red alimentación cuando la tensión cae en una fase.

* Los variadores de velocidad generalmente fallan si la tensión cae más de un 15).

Fallos debido a causas externas de funcionamiento:

* Bloqueo del rotor: el bloqueo del rotor provocado por causas mecánicas produce una sobrecorriente casi igual a la de arranque. Pero el calentamiento es superior dado que las pérdidas del rotor permanecen en su valor máximo durante todo el bloqueo y la refrigeración se paraliza dado que normalmente funciona con la propia rotación del motor. La temperatura del rotor puede llegar a los 350º C.

* Sobrecarga: la sobrecarga de un motor está causada por un incremento del par resistente o por una caída de la tensión de alimentación mayor a 10% de la tensión nominal). El aumento de la corriente consumida causa un calentamiento que reduce la vida útil del motor drásticamente.

Resumen

El resumen de la tabla muestra las posibles causas de cada tipo de fallo, los probables e inevitables efectos y las consecuencias si no se toman las oportunas medidas de protección.
En todos los casos, los motores necesitan dos tipos de protección: " Protección contra cortocircuitos" Protección contra sobrecargas (sobrecalentamiento). 

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Simulación computarizada de la firma ACC Austria GmbH, en donde se puede apreciar los componentes de un compresor familiar hermético, el funcionamiento de los mismos y el circuito frigorífico. Traducción al español realizada por Frionline.

En la simulación se aprecia la parte interna de un moctocompresor hermético (característico de este tipo de unidades), y además los distintos componentes que forman parte del circuito frigorífico básico: evaporador, condensador, dispositivo de expansión y compresor.

Para poder ver correctamente la simulación, se necesita tener instalado el plugin Quicktime. Para descargar el plugin, ingrese AQUI.

ACC Austria GmbH es una marca registrada de sus respectivos propietarios.

 

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