Pregunta Algunos de los conceptos claves a la hora de poder diseñar y comprender una instalación frigorifica

En este trabajo aparecen algunos conceptos básicos para el conocimiento del funcionamiento de los ciclos de refrigeración, los cuales están muy vinculados a contenidos de disciplinas tales como. Mecánica de los fluidos, Termodiámica y de transferencia de calor entre otros. Además aparecen expresiones de cálculo y consideraciones que ayudan al diseño o rediseño de cámaras frigorificas.

Algunos de los conceptos claves a la hora de poder diseñar y comprender una instalación frigorifica son:
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 transito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose desde cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol.

Medida de calor.

Una de las unidades básicas para medir calor más utilizada es la caloría que se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua 1 ºC. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95 a 100 ºC, se requieren 5000 calorías. (Un litro de agua pesa 1000 gramos), o sea:

1000 x ( 100 ? 95) = 5000 calorías

También se emplea la Kilo-Caloría (KCAL) que equivale a 1.000 calorías y que pueden ser definidas como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. de Agua, un grado Centígrado.

En el sistema Inglés, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL UNIT (B.T.U.). Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua 1 ºF. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura de un Galón de agua aproximadamente 8,3 Lb) de 70 º F a 80 ºF, se requieren 83 BTU:

8,3 x (80 ? 70) = 83 B.T.U.

Calor específico.

El Calor específico de una sustancia es su capacidad relativa de absorber o ceder calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de Kilocalorías o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la temperatura de un Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1ºC o (1ºF). Por definición, el calor específico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de otras substancias varía. Se requieren únicamente 0,64 Kcal por Kilo (0,64 BTU por libra) para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de Aluminio 1 ºC (1ºF), por lo tanto, los calores específicos de estas dos substancias son 0,64 y 0,22 respectivamente.

Calor sensible

El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una sustancia. 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 0ºC a 100ºC, hay también un aumento de calor sensible.

Calor latente:

Calor latente es el que necesita para cambiar un sólido en líquido, o un líquido en gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la sustancia. La palabra latente significa "oculto", o sea que este calor requerido para cambiar el estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos.

Tonelada Americana de refrigeración

Toneladas de refrigeración, es 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. Puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo será 144 * 2000, o sea 288,000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de "TONELADA DE REFRIGERACION". Puesto que el calor latente del hielo en el sistema métrico es de 80 Kilo- Calorías y que y una tonelada americana e igual a 907.187 kilos, la tonelada de refrigeración es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575 kilo- calorías por 24 horas, es decir, 3.024 kilo-calorías por hora.



Ciclo de refrigeración
Con la ayuda del diagrama presión ? entalpia de un fluido, es posible definir un ciclo de refrigeración, donde en determinado momento el refrigerante se encuentra en estado de vapor sobrecalentado a baja presión cuando proviene del evaporador despúes este es comprimido donde el trabajo es adicionado al sistema resultando en un aumento de presión en la descarga, continuando en estado de vapor sobrecalentado ahora con alta presión y alta temperatura para después ocurrir la condensación aquí el calor es retirado del sistema y el refrigerante está en estado de líquido subenfriado. En el condensador el intecambio de calor es hecho en tres etapas. En la primera etapa el calor sensíble es retirado isobaricamente, pasando el fluido de vapor de sobrecalentado a vapor saturado, a continuación el fluido pasa por un processo de cambio de fase de forma isobárica-isotérmica para finalmente ocurrir un processo de subresfriamento a alta presión en estado de líquido subresfriado.

El fluido debe perder presión y temperatura para retornar al sistema de baja presión para eso el refrigerante pasa por un dispositivo de expansión donde el fluido se encuentra en una mezcla líquido más vapor. Faltando, para completar el ciclo, el proceso de evaporación. El fluido irá absorviendo calor, cambiando de fase, Antes de reiniciar el ciclo, el refrigerante es sobrecalentado, evitando la presencia de líquido en el el compressor.

Para el cálculo del calor involuclado en determinado proceso se puede emplear la siguiente equación:

q  m. (h f-h i)

Donde:

q = calor, em W

.m= Flujo másico, en kg/s

hf = entalpia de el punto final, en J/kg

hi = entalpia de el punto inicial, en J/kg

EVAPORADORES
El evaporador o serpentín de enfriamiento es la parte del sistema de refrigeración donde se retira el calor del producto: aire, agua o algo que deba enfriarse, y se define como un intercambiador de calor.

Cuando el refrigerante entra a los tubos, que conforman el evaporador, absorbe calor de los productos que van a ser enfriados, y, cuando absorbe calor de la carga empieza a "hervir" y se vaporiza. En este proceso el evaporador ejecuta la función de puente térmico entre el medio a enfriar y el refrigerante, desarrollando el propósito total del sistema, la refrigeración.

Se desarrollan y producen evaporadores de diseños y formas diferentes para satisfacer las más variadas necesidades de los usuarios. Los tres principales tipos de evaporadores son de tubo descubierto, de superficie de placa y aleteados. Los evaporadores de tubo descubierto y superficie de placa algunas veces se les califica como evaporadores de superficie primaria debido a que para ambos tipos la superficie completa queda más o menos en contacto con el refrigerante vaporizado en su interior. Con el evaporador aleteado, los tubos que conducen el refrigerante constituyen la superficie principal, las aletas en si no tienen refrigerante en su interior y por lo mismo, son superficies secundarias en la transferencia del calor cuya función es recoger calor del aire de los alrededores y conducirlo hacia los tubos que llevan el refrigerante.

COMPRESORES
Después de que ha perdido calor y se vaporiza en el serpentín de enfriamiento, el refrigerante pasa a través de la línea de succión al siguiente componente mayor en el circuito de refrigeración, el compresor. Esta unidad que tiene dos funciones principales dentro del ciclo, se clasifica frecuentemente como el corazón del sistema, porque hace circular el refrigerante a través del sistema. Las funciones que realiza son: Recibir o remover el vapor refrigerante desde el evaporador, de tal manera que la presión y la temperatura deseada de evaporación se mantengan. Incrementar la presión del vapor refrigerante a través del proceso de compresión y simultáneamente incrementar la temperatura del refrigerante de tal manera que pueda ceder calor al medio condensante del condensador.

Los compresores son usualmente clasificados en tres tipos principales: alternativos, rotatorios y centrífugos. El compresor alternativo se utiliza en la mayoría de las aplicaciones domésticas, comerciales pequeñas y unidades industriales de condensación. Este tipo de compresor puede posteriormente clasificarse de acuerdo a su construcción, de acuerdo a si es abierto o accesible para el trabajo o completamente sellado, de tal manera que no sea posible darle servicio.

Los compresores alternativos varían en tamaño, desde los que tienen un solo cilindro y su correspondiente pistón hasta uno lo suficientemente grande para tener 16 cilindros y pistones. El cuerpo del compresor puede construirse de una o dos partes de hierro fundido, acero fundido o en algún caso de aleaciones de aluminio. La disposición de los cilindros puede ser horizontal, radial o vertical y ellos pueden estar en líneas rectas o arregladas en V o W.

Los compresores rotativos son clasificados así a causa de que ellos operan a través de la aplicación de una rotación, o movimiento circular, en vez de la operación alternativa descrita anteriormente. Un compresor rotativo es una unidad de desplazamiento positivo, y comúnmente puede usarse para bombear a mayor vacío que el compresor alternativo.

Existen tres tipos de compresores rotativos; pistón rodante, aleta rotatoria y lóbulo helicoidal. De estos describiremos sólo los más utilizados actualmente en los mercados de aire acondicionado y refrigeración.

Los compresores rotatorios del tipo paleta emplean una serie de paletas o alabes las cuales están equidistantes a través de la periferia de un rotor ranurado.

Compresor centrifugo

El compresor centrífugo consiste esencialmente de uno o una serie de ruedas impulsoras montadas en un eje de acero, contenidas dentro de una carcasa de hierra vaciado. El número de ruedas impulsoras depende bastante de la magnitud de la carga termodinámica que el compresor deba desarrollar durante el proceso de compresión. Es común tener de dos, tres y cuatro ruedas (pasos de compresión). El máximo de ruedas impulsoras suelen ser 12.

CONDENSADORES.
El componente mayor en el sistema de refrigeración, que sigue a la etapa de compresión, es el condensador. Básicamente, el condensador es otra unidad de intercambio de calor en el cual el calor extraído por el refrigerante en el evaporador, y también el añadido al vapor en la fase de compresión, se disipa a un medio condensante.

El vapor a alta presión y temperatura que sale del compresor está sobrecalentado y este sobrecalentamiento se retira en la línea de descarga y la primera porción del condensador. Como la temperatura del refrigerante es bajada a su punto de saturación, el vapor se condensa en líquido para continuar el ciclo.

Los condensadores pueden ser enfriados por aire, agua o por evaporación. Los refrigeradores domésticos generalmente tienen un condensador enfriado por aire, el cual depende del flujo de gravedad del aire que circula a través de él. Otras unidades enfriadas por aire usan ventiladores para secar o extraer grandes.

DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN
Un componente fundamental e indispensable de cualquier sistema de refrigeración es el control de flujo o dispositivo de expansión. Sus principales propósitos son:

Permitir el flujo de refrigerante al evaporador a la razón necesaria para remover el calor de la carga. Mantener el diferencial de presión apropiado entre los lados de alta y baja en el sistema de refrigeración.

Los cinco tipos principales de dispositivos de expansión son:

Válvula de expansión automática.

Válvula de expansión termostática.

Tubo capilar.

Flotador de baja.

Flotador de alta.

Existe también un dispositivo de expansión manual, que obviamente, no es apropiada para el funcionamiento automático de sistemas de refrigeración de baja capacidad, pero si son muy utilizadas en la refrigeración industrial.

Acciones encaminadas para el diseño o rediseño de cámaras de refrigeración

Para el cálculo de la carga térmica en una cámara, se debe conocer: La ubicación geográfica, la temperatura de bulbo seco exterior en verano, temperatura de bulbo humedo y la velocidad del airem/s, dimensiones de la cámara, materiales de construcción, dimensiones y materiales de construcción de las puertas, propiedades del producto a guardar.

Carga Térmica

Para mantener fría una cámara y todo lo que este contenida en ella, es necesario extraer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara por bien aislada que este.

Según la American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), para el cálculo de la carga térmica para cámaras de alamacenamiento de alimentos son considerados los seguientes factores: transmisión de calor por la superfícies, calor que el alimento debe perder para alacanzar lr a temperatura deseada, calor interno referente a pesonas, lamparas y equipamientos, infiltraciones de aire, calor de los moto-ventiladores y tiempo previsto de funcionamento, además del coeficiente de seguridad.

El requerimiento total de refrigeración, Q total, puede establecerse como:

Q total = Q producto + Q otras fuentes

En la anterior expresión, los términos del segundo miembro tienen el siguiente significado:

Q producto = representa los sumandos necesarios que tiene en consideración en la carga térmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar.

Q otras fuentes = Incluye entre otros los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc.

Como el calor generado en las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor, en las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer en las 24 horas. Su valor será:

NR= Q total/ t

La ganancia de Calor a través de paredes, pisos y techos, variará según las siguientes características:

A.- Tipo de Construcción.

B.- Área expuesta a diferentes temperaturas

C.- Tipo y espesor del aislante

D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio refrigerado y la temperatura ambiental.

El calor sensible a través de las paredes, piso y techo es calculado a regimen permanente como:

q1 U AT

Donde:

q1 = calor que atraviesa las superfícies, en W

U = coeficiente global de transferencia de calor, en W/m2K

A = superfície de intercambio de calor, en m2

T = diferencia entre la temperatura externa y la temperatura interna de el aire, en ºC.

Para el enfriamiento de los produtos de la temperatura inicial a la temperatura deseada

de almacenamiento. El calor a ser retirado puede ser calculado de la seguiente manera:

q2  m( h f h i )

Donde

q2 = calor a ser retirado do produto, em W

m= Flujo másico del producto, em kg/s

hf = Entalpia de el produto a su temperatura final, en kJ/kg;

hi = Entalpia de el produto a su temperatura inicial, en kJ/kg.

Internamente, el calor generado por el equipamiento y pesonas debe ser considerado.

Geralmente los equipamientos utilizados en el interior de una cámara son motores, lamparas y otros equipos eléctricos.

El calor generado por una persona trabajando em uma cámara puede ser aproximado por:

qp 272 -6.T

Donde qp = calor generado por una persona, en unm período de 24 horas, en W;

T = temperatura interna, en ºC.

Debido a la diferencia entre la densidad de el aire interno y de el aire externo, existe una cantidad de calor debido a infiltraciones por aberturas en puertas y ventanas. Según ASHRAE, la velocidad del aire por una puerta varia de 0,3 hasta 1,5 m/s, dependiendo de las dimensiones de la puerta y de la diferencia entre la presión atmosférica y la presión interna.

q4 r.A/2. u ar  h ar

Donde q4 = calor por infiltraciones de aire, en W

 r= Densidad de el aire refrigerado, en kg/m3

A = área de la abertura, em m2

u ar = velocidad média de el aire, en m/s

 h ar = diferencia de entalpia entre el aire interno y el aire externo, en kJ/kg.

Existe aun el calor debido a la operación del equipamiento de refrigeración, consistiendo en motores elétricos, usados en la circulación del aire forzado, y el calor usado en el deshielo de los serpentines del evaporador.

Tiempo de congelación.
El algoritmo usado para estimar el tiempo de congelación de alimentos es basado en la Equación de Plank modificada por Cleland e Eaerle (1977, 1979a, 1979b). Este algoritmo es aplicable para geometrias simples. Primeramente las propriedades de los alimentos, el coeficiente de transferencia de calor y las dimensiones características deben ser definidas. Tres dimensiones deben ser calculadas: D, 1, 2 . D es el dobre de la distancia entre el centro térmico de el alimento hasta la superfície, 1es definido como la segunda menor dimensión dividido por la menor dimensión y 2 es la mayor dimensión dividido por la menor dimensión.

A continuación deben ser calculados los números de Biot, Plank y Stefan, a través de las ecuaciones:

Bi  D h/ k

Pk= C l .(T i -T fi) / H

Ste= Cs T f -T m)/ H

Donde:

Bi = número de Biot

h = coeficiente de converción, en W/m2K

D = dimensión característica, en m

k = condutividade térmica, em W/mK

Pk = número de Plank

Cl = calor específico volumétrico de la fase no congelada, en kJ/K.m3

Ti = temperatura inicial, en ºC

Tf = temperatura de congelación, en ºC

H = variación de la entalpia volumétrica entre Tf y la temperatura final, en kJ/m3

Ste = número de Stefan

Cs = calor específico volumétrico da fase congelada, en kJ/K.m3

Tm = temperatura del medio, en ºC.

Después de estos fatores geométricos devem ser calculados los fatores geométricos P e R, de acuerdo con la tabla 5, capítulo 9 del 2002 ASHRAE Handbook ? Refrigeration.

Con todos estos pasos realizados, finalmente puede ser calculado el tiempo de congelación, conforme a la equación.



Donde Tc = a temperatura final, en ºC

ks = condutividad térmica de los alimentos, em W/m.K.

Sustancias refrigerantes:
Antes de la seleción de los equipamentos para el diseño o rediseño de una instalación es necesario determianare el refrigerante, sistema de funcionamento, tipo de condensación y regimen de operación.

Como refrigerante se entiende todo aquel fluido que se utiliza para transmitir el calor en un sistema frigorífico y que absorbe calor a bajas temperaturas y presión, y lo cede a temperaturas y presión mas elevada, generalmente con cambios de estado del fluido.

Los refrigerantes se identifican por su fórmula química o por una denominación simbólica numérica; no es suficiente identificarlos por su nombre comercial.

En 1956, la compañía DU PONT ideo y registró un método para clasificar numéricamente los refrigerantes, con el se eliminaba el uso de complicados nombres químicos. La asociación americana de ingenieros en refrigeración calefacción, ventilación y aire acondicionado (ASHRAE) adopto este sistema en 1960. El numero del refrigerante esta relacionado con el numero de átomos de fluor, de hidrogeno, de carbono y el numero de enlaces químicos dobles.





Los refrigerantes del tipo clorofluorcarbono (CFC) estan siendo eliminados del mercado, debido a su alto potencial de destrución de la capa de ozono, los hidroclorofluorcarbono (HCFC) tiene um menor potencial de destrucción de la capa § £o da capa de ozono (ODP), baja vida atmosférica y también un bajo potencial de calentamiento global, su uso esta restringido hasta el 1 de Enero del 2030. Estudios recientes (Wuebbles y Calm 1997; Calm et al. 1999) sugieren que la substitución de refrigerantes con estas características pudiera agravar el problema del calentamiento global, pero el efecto sería despreciable en la capa de ozono. Además de los citados, existen otros refrigerantes que no contienen cloro, con ODP nulo, disponibles en el mercado, pero pueden presentar algunas desvantajas tales como: baja

disponibilidad de equipamientos en el mercado, mayor costo, mayor exigencia técnica de mantenimiento y alto potencial de calentamiento global.

Para que el regimen de operación sea definido es necesario el conocimiento del sistema de

Condensación y de evaporación.

Conclusiones.
Para el correcto diseño o rediseño de instalaciones de refrigeración es necesario el conocimiento de los principios básicos de mecánica de los fluidos, termodinámica y transferencia de calor.
Para la correcta selección de una sustancia refrigerante es necesario tener en cuenta una valoración económica, de eficiencia energética y mediomabiental.
Se deben proyectar todas las acciones posibles para disminuir la carga térmica que debe ser capaz de ser eliminada por el sistema de refrigeración.
No solo basta una correcta selección de la instalación sino se tiene en cuenta el regimen de operación de la misma así como el mantenimiento.
Referencias Bibliográficas
ASHRAE. 2002. "2002 ASHRAE Handbook ? Refrigeration"

ASHRAE. 1993. "1993 ASHRAE Handbook ? Fundamentals"

ASHRAE. 1979. "1979 ASHRAE Handbook ? Equipment"

Incropera, F. and De Witt, D., 1995. "Fundamentos de Transferencia de Calor y Masa", volumen 1.