Instalaciones Frigoríficas y de Climatización

INSTALACIONES FRIGORÍFICAS Y DE CLIMATIZACION

El principio de Carnot-Clausius La Termodinámica se fundamenta en dos grandes principios: - El principio de equivalencia, o de Mayer. - El principio de la entropía, o de Carnot-Clausius. Con el principio de equivalencia se demuestra que la energía calorífica puede convertirse en trabajo mecánico, o a la inversa, aunque en ambos casos no se tiene en cuenta el concepto de rendimiento de la transformación. Sin embargo, el principio de Carnot permite conocer tal rendimiento y nos facilita a la vez la relación que permite calcular ese rendimiento en función de las temperaturas bajo las cuales tienen lugar las transformaciones.

Ciclo de Carnot (máximo rendimiento)

Se define el ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.

Principio de Carnot-Clausius para un motor térmico

1. A semejanza de una máquina hidráulica, que no puede funcionar más que entre dos corrientes de agua, una hacia arriba y otra hacia abajo, con una diferencia de altura, el motor térmico sólo puede funcionar entre dos fuentes de calor a temperaturas diferentes: una fuente caliente a la temperatura T1 y una fuente fría con temperatura T2. 2. Si de la fuente de calor tomamos Q1 kilojulios, una parte de esta energía (Q2) se verterá, como pérdida, en la fuente productora de frío. Solamente la diferencia (Q1 - Q2) se transforma en trabajo mecánico, es decir, W = Q1 - Q2 3. El rendimiento del motor térmico (aportación de la máquina/de la cesión a la máquina) será la relación entre la energía mecánica recuperada y la energía calorífica invertida en el proceso: η = W/Q1 = (Q1-Q2)/Q1 4. Si varios motores térmicos operan con sustancias distintas trabajando todas bajo las mismas temperaturas correspondientes a la fuente de calor T1 y de la fuente de frío T2, siguiendo el ciclo termodinámico denominado de Carnot, - los rendimientos η1 η2 η3 tienen el mismo valor, - el valor de ese rendimiento sólo es función de las temperaturas absolutas de la fuente caliente y la fuente fría: η=f(T1 ; T2) 5. Clausius demostró que el rendimiento de dichos motores térmicos, funcionando bajo el ciclo de Carnot, tenía un valor

η =( T1 - T2 )/T1 η =(Q1-Q2)/Q1 = ( T1 - T2 )/T1 En todos los casos en que se describa un ciclo termodinámico entre las temperaturas T1 y T2, el rendimiento máximo se obtendrá evolucionando bajo un ciclo de Carnot.

Principio de Carnot-Clausius para una máquina frigorífica

1. Una máquina frigorífica funciona entre dos fuentes de calor a temperaturas diferentes: - la fuente fría es el evaporador (T0), - el foco caliente es el condensador (Tk ). 2. Si φ0 kWh es la producción horaria de la máquina y W los kWh de energía mecánica suministrada al compresor durante ese lapso de tiempo (aportación de la máquina/de la cesión a la máquina) ε = φ0/W 3. La cantidad de calor en el condensador (fuente de calor) durante este periodo de tiempo será φk = φ0 + W, por lo que se puede escribir ε = φ0/(φk - φ0) 4. Esta última ecuación define el rendimiento de la transformación, y se llama coeficiente de rendimiento frigorífico óptimo o bien coeficiente de funcionamiento (C.O.P.) W = 0 φ ε φ φ φ φ ε k 0 0 - = Principio de Carnot-Clausius para una máquina frigorífica 5. Si varias máquinas frigoríficas funcionan con fluidos frigorígenos diferentes entre las mismas temperaturas de condensación Tk y de evaporación T0, describiendo un ciclo de Carnot: - Los coeficientes de efecto frigorífico ε1 ε2 ε3 tienen el mismo valor. - Ese valor solamente es función de las temperaturas absolutas de condensación Tk y de evaporación T0 ε = f ( Tk ; T0 ) 6. El valor del coeficiente de funcionamiento (C.O.P.) será: ε =T0/(Tk-T0) 7. Para todos los fluidos que describen un ciclo frigorífico entre las temperaturas Tk y T0 el efecto frigorífico óptimo se obtendrá haciéndoles describir un ciclo de Carnot.

EL CICLO INVERSO DE CARNOT

El ciclo de Carnot, en el caso de un motor térmico, es un ciclo en el que el punto representativo del estado de la sustancia se mueve en el sentido horario. Este ciclo puede invertirse, haciendo que el punto se mueva siguiendo la misma curva cerrada pero en sentido antihorario. En el ciclo inverso, se aporta trabajo del exterior (el trabajo neto del ciclo es negativo) mientras que en el directo se aporta calor del exterior (el trabajo neto del ciclo es positivo). En el ciclo inverso de Carnot, se invierte el flujo natural del calor, que pasa de la fuente fría a una fuente caliente, lo cual, sin aportación de energía exterior (trabajo mecánico) no se daría. Proceso 1-2: compresión adiabática-isentrópica en el compresor, con lo cual se eleva la presión y temperatura del fluido desde la temperatura T1 ligeramente inferior a la T0 del recinto frigorífico hasta la temperatura T2 ligeramente superior a la temperatura Tk de la fuente caliente (normalmente es la temperatura ambiente, ya que la atmósfera actúa de fuente caliente), es decir, hasta la temperatura Tk + ΔT (ΔT tiende a 0 en el ciclo ideal para que éste pueda ser reversible). Proceso 2-3: cesión isotérmica de calor del refrigerante a la fuente caliente, gracias al salto ΔS, siendo entonces el calor cedido Qk = área 2-3-a-b (recorrida en el sentido contrario a las agujas del reloj, Qk Qk = T2 ( s3 -s2 ) expansión adiabática-isentrópica en un motor de émbolo, turbina o dispositivo de expansión. Al final del proceso (punto 4) la temperatura del refrigerante baja hasta la temperatura inicial T4 = T1 = T0 - ΔT, ligeramente inferior a la temperatura del recinto frigorífico para que exista posibilidad de enfriamiento del mismo (en el ciclo ideal que estamos estudiando ΔT tiende a 0). Proceso 4-1: adición isotérmica de calor al refrigerante de la fuente fría, que es la cámara frigorífica, siendo el calor extraído de ese recinto Q0 = área 4-1-b-a (recorrida en sentido de las agujas del reloj, Q0 > 0) y también Q0 = T1 * Δs Qn =Qk - Q0 =( T1 - T2 ) Δs 0

EL CICLO INVERSO DE RANKINE

El ciclo de Carnot es un ciclo teórico, prácticamente imposible de realizar. En el caso de la máquina frigorífica, para obtener un C.O.P. óptimo, el fluido frigorígeno debería evolucionar bajo dos adiabáticas y dos isotermas. Para ello haría falta que: - las transformaciones adiabáticas se realizaran a una velocidad extremadamente grande; - las transformaciones isotermas se realizaran a una velocidad infinitamente lenta. Esto no es posible desde el punto de vista industrial y, por lo tanto, hay que buscar la utilización de un ciclo que se aproxime todo lo posible al de Carnot, persiguiendo con ello el conservar un buen rendimiento en relación a este ciclo ideal, el cual nos servirá de modelo comparativo para juzgar y calcular el rendimiento de una máquina frigorífica en relación a dicho ciclo ideal.

El ciclo de Rankine comprende, como el ciclo de Carnot, cuatro transformaciones: dos adiabáticas (compresión 1-2 y expansión 3-4) y dos isóbaras (condensación 2-3 y evaporación 4-1). Comparando este ciclo con el de trabajo del mismo nombre: 1. Trabajo del compresor mayor que el trabajo de la turbina. Recuérdese que es un ciclo inverso y se recorre en sentido contrario a las agujas del reloj. 2. Válvula de expansión en lugar de turbina. Con mucha frecuencia se sustituye la expansión en la turbina por la expansión en una válvula, con lo cual el ciclo pierde algo de eficiencia pero gana en simplicidad. Sin embargo, en instalaciones industriales de gran potencia se utiliza una turbina que aprovecha el trabajo de la expansión. 3. Agente que evoluciona distinto del agua. En el ciclo frigorífico no se utiliza generalmente el agua como refrigerante a causa de su gran volumen específico en la zona próxima a la saturación a 0º C, sino un fluido cuya temperatura de saturación (ebullición) a la presión atmosférica sea igual o menor que 0º C 4. Nombre y función de los cambiadores de calor. En el ciclo frigorífico tiene lugar la evaporación en el cambiador de calor correspondiente a la fuente fría (el recinto frigorífico); por eso este cambiador se llama evaporador, al contrario que en el caso del ciclo directo de Rankine, donde en la fuente fría tiene lugar la condensación, y el cambiador se llama entonces condensador.

-PRINCIPALES FLUIDOS FRIGORÍGENOS

Refrigerantes

-Se denominan fluidos frigorígenos a aquellos cuerpos químicos cuyas propiedades los hacen aptos para su aplicación a las máquinas frigoríficas. - Según el Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas (art. 11), el refrigerante es un fluido utilizado en la transmisión de calor que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a baja temperatura y presión, cediéndolo a temperatura y presión más elevadas, teniendo lugar este proceso, generalmente, con cambios de estado del fluido. - Deben respetarse un determinado número de condiciones que se refieren a aspectos de interés general tales como la inflamabilidad, explosividad, toxicidad, etc.; además, si cumplen las anteriores, otras de orden técnico, costos, gastos de operatividad y mantenimiento… Rápidamente, debido a su inflamabilidad y sus consiguientes peligros de explosión, fueron abandonados el éter sulfúrico y el éter metílico. A principio del siglo XX, solo quedaban el amoníaco, el anhídrido sulfuroso, el anhídrido carbónico y el cloruro de metilo. El carbónico se utilizaba a bordo de los buques y en las fábricas de pólvora debido a su nula inflamabilidad y por su inocuidad. El anhídrido sulfuroso y el cloruro de metilo se reservaron para máquinas de poca potencia. Con la refrigeración doméstica, aparecen nuevas necesidades: refrigerantes que no sean inflamables, con buena estabilidad, baja toxicidad y buenas propiedades termodinámicas. Así, aparece el CCl2F2 conocido como R12 o Freón 12

Construcción y tipo de compresor

Es fundamental que el fluido sea de efecto neutro respecto a todos los componentes del circuito. Esto debe mantenerse incluso con humedad y condiciones de funcionamiento anormales. Deberá disolver el agua para evitar disfunciones. Es aconsejable que el ciclo se realice por encima de la presión atmosférica. Así se evitará la entrada de aire y se detectarán mejor las fugas.

Seguridad material y personal

Los fluidos serán perfectamente estables a las temperaturas de trabajo, incluso bajo situaciones anormales de funcionamiento. No serán inflamables ni explosivos al mezclarse, en cualquier proporción, con el aire. Las fugas no serán peligrosas para las personas o el género almacenado. Dichas fugas deben ser de fácil detección

Facilidad de aprovisionamiento

Los fluidos deben ser de fácil disponibilidad, de transporte cómodo, de almacenamiento sencillo y, por supuesto, de un precio de coste bajo.

Manipulación de los fluidos frigorígenos

- Ventilación adecuada. Operarios al aire libre a intervalos frecuentes. Máscaras y gafas si es amoníaco. - Botellas almacenadas en lugares secos, a cubierto, bien ventilados, no a mucha temperatura. - No golpear los cilindros ni utilizar electroimán o eslingas para manipularlos. Capuchones colocados. - No mezclar gases en un cilindro. No forzar dispositivos de seguridad. Abrir válvulas lentamente. No utilizar herramientas no autorizadas. - No almacenar botellas cerca de sustancias muy inflamables. Separar cilindros llenos de vacíos.

AZEOTROPICOS Y ZEOTROPICOS.

-AZEOTRÓPICOS: Refrigerante formado por 2 ó mas tipos de moléculas ó componentes y tiene la misma composición en la fase líquida o en la fase gaseosa. - ZEOTRÓPICOS: Refrigerante formado por 2 ó mas tipos de moléculas ó componentes y tiene diferente composición en la fase liquida que en la gaseosa.

-INSTALACIONES FRIGORÍFICAS Y SUS EQUIPOS. COMPRESOR, CAMBIADORES DE CALOR, APARATOS AJENOS AL CIRCUITO.

Plato de válvulas

Es una placa donde van colocado el conjunto de válvulas de aspiración y descarga.

Compresor SCROLL

El compresor Scroll tiene una espiral, orbitante en un trayecto definido por otra espiral fija. La espiral fija está unida al cuerpo del compresor. La espiral orbitante está acoplada al cigüeñal y gira en órbita. El movimiento orbitante crea una serie de bolsillos de gas que se desplazan entre ambas espirales. En la porción externa de las espirales, los bolsillos aspiran gas y lo trasladan al centro de la espiral, donde lo descargan. A medida que el gas se mueve por los bolsillos internos, que son cada vez más pequeños, la temperatura y la presión aumentan a la presión de descarga deseada.

Condensadores

- Cambiador de calor: traspaso de flujo calorífico del fluido frigorígeno al medio ambiente exterior (agua o aire que constituyen el medio de refrigeración exterior).

A la entrada vapores recalentados pk y θ2. Pasan a vapor saturado a la temperatura θ3 y la presión pk hasta líquido saturado. Puede haber subenfriamiento a la misma presión y una temperatura θ4.

Las misiones son: - Enfriar vapores comprimidos de θ2 a θ3. - Condensar vapores a θ3. - Subenfriar líquido de θ3 a θ4.

Condensador de aire (circulación natural) Se utilizan para instalaciones de muy reducida potencia (frigoríficos domésticos). Están formados por un tubo en forma de serpentín soldado sobre un entramado de hilos metálicos. Se colocan en sentido vertical detrás del armario frigorífico, separándolo de la cara posterior de éste con topes de goma o material plástico.

Grupo semihermético y condensador En grupos de más potencia se va aumentando la superficie de condensación y el número de ventiladores, alcanzándose potencias de hasta 500 kW.

Evaporadores Fuente productora de frío:

-El fluido frigorígeno absorbe calor –a temperatura constante- del medio a enfriar por liberación de su calor latente de evaporación. - En funcionamiento normal, de encuentra lleno de una mezcla heterogénea de líquido y vapor, que irá aumentando su título a medida que se aleja de la entrada o punto de inyección, si bien su temperatura permanece constante mientras cambia de estado y su presión es la misma a la entrada que a la salida.

Evaporador de techo (circulación natural) Pueden construirse con tubos lisos o con tubos y aletas, consiguiéndose el enfriamiento del aire por radiación y por convección natural del aire sobre el elemento refrigerante. Dicha circulación se mejora con la ayuda de placas difusoras que actúan, además, de bandeja de desagüe.

Evaporadores de techo (circulación forzada) Todos los modelos de evaporadores de este tipo utilizan tubos aleteados, con diferentes tipos de materiales según sea el refrigerante utilizado. Para facilitar una mejor circulación del aire y la formación de turbulencias y remolinos que aumenten el coeficiente exterior de transmisión por convección, lo tubos se disponen al tresbolillo, y las aletas, que no son lisas, presentan unas nervaduras de embutición cuya forma y perfil se consiguen con cuidadosos estudio de diseño.

Desescarche

PROCEDIMIENTOS EXTERIORES:

-Manual (raspado o cepillado).

- Paro de la máquina y calentamiento natural de los evaporadores. - Paro de la máquina y circulación de aire forzado. - Por pulverización de agua. - Pulverización de salmuera. - Por aire caliente exterior. - Por calentamiento eléctrico del aire, a la parada de la máquina. PROCEDIMIENTOS INTERNOS: -Calentamiento eléctrico del evaporador. - Circulación de salmuera caliente (frig. Salmuera). - Por gas caliente. - Por inversión del ciclo.

TEMA 18. -APARATOS AUTOMÁTICOS DE ALIMENTACION Y SEGURIDAD

Funcionamiento de un tubo capilar para alimentación de refrigerante al evaporador Es un tubo de pequeño diámetro y de longitud adecuada para la carga de refrigeración que debe manejar. Permite la expansión del refrigerante y al alimentación del evaporador con fluido frigorígeno expansionado. Este tipo de alimentación se emplea en instalaciones de pequeña potencia, en las cuales varía poco la carga frigorífica, por ejemplo, aparatos de uso doméstico. Es el más simple de los dispositivos de expansión, y se instala entre el condensador y el evaporador. La longitud oscila entre los 0,6 y los 6 metros y el diámetro interno entre los 0,6 y 2,25 mm.

Termostatos Tienen por finalidad regular la temperatura de una superficie fría o de un ambiente frío entre dos límites prefijados, todo lo próxima a la temperatura real θ que se desea obtener.

TEMA 19. -TIPOS DE INSTALACIONAES FRIGORÍFICAS. T R A N S P O RT E F R I G O R Í F I C O S M A R Í T I M O S . REFRIGERACION DE BODEGAS Y CONTENEDORES.

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN EN LOS BUQUES.– Hay cuatro métodos principales para refrigerar las bodegas de carga: – Por expansión directa (con parrillas o con baterías compactas). – Por aire forzado sobre baterías de expansión directa. – Por parrillas circuladas por salmuera. – Por aire forzado que circula sobre baterías de salmuera.

Expansión directa

VENTAJAS: 1. Es el método más barato. 2. Las parrillas refrigeradoras se sitúan en mamparos y techo de la cámara, que son los lugares de entrada del calor exterior. 3. Durante la descarga de la mercancía, se puede mantener la refrigeración. INCONVENIENTES: 1. El mantenimiento de temperaturas bajas depende de las corrientes de convección del aire, que se dan convenientemente cuando las diferencias de temperaturas entre las distintas áreas son grandes. 2. Hay dificultades prácticas para mantener la estanqueidad de las juntas de las parrillas. Con carga en bodegas no se pueden hacer reparaciones y hay gran pérdida de refrigerante si se producen fugas. 3. Constantemente se forma escarcha en las rejillas; ésta disminuye el rendimiento de la transmisión y para mantener la temperatura la presión de evaporación debe bajar para contrarrestar lo anterior. El desescarche sólo será posible tras la descarga de la mercancía y la gran cantidad de agua que cae causa problemas con los aislantes de las bodegas.

Expansión directa en baterías compactas

VENTAJAS: 1. Debido a la circulación forzada del aire, la temperatura en todo el espacio de la cámara es más uniforme. 2. Al estar los tubos refrigeradores protegidos, se reduce el peligro de daños mecánicos y de pérdidas. 3. El desescarche es posible incluso con carga en la bodega, utilizándose los medios habituales: gas caliente o resistencias eléctricas. INCONVENIENTES: 1. La ventilación forzada tiende a incrementar la falta de humedad de la carga, y ello debido a la mayor velocidad de circulación del aire por la superficie de aquélla. 

2. El sistema no se puede tener en servicio mientras se carga la bodega, ya que los operarios no pueden trabajar con corrientes de aire tan frías. 3. Se encuentran problemas al tratar de mantener temperaturas diferentes en espacios.

Parrillas de tubos con salmueraVENTAJAS:1. El refrigerante está confinado sólo en el espacio de la maquinaria y cualquier defecto en sus líneas puede ser más rápidamente resuelto. 2. Las parrillas están situadas en los lugares de ingreso de calor (mamparos y techos). 3. Con una sola instalación se pueden mantener simultáneamente diferentes temperaturas. INCONVENIENTES:1. El mantenimiento de temperaturas bajas depende de las corrientes de convección del aire, que se dan convenientemente cuando las diferencias de temperaturas entre las distintas áreas son grandes. 2. Hay dificultades prácticas para mantener la estanqueidad de las juntas de las parrillas. Con carga en bodegas no se pueden hacer reparaciones y hay gran pérdida de refrigerante si se producen fugas. 3.Constantemente se forma escarcha en las rejillas; ésta disminuye el rendimiento de la transmisión y para mantener la temperatura la presión de evaporación debe bajar para contrarrestar lo anterior. El desescarche sólo será posible tras la descarga de la mercancía y la gran cantidad de agua que cae causa problemas con los aislantes de las bodegas.

Baterías con salmuera VENTAJAS: 1. En este sistema el refrigerante está confinado sólo en el espacio de la maquinaria correspondiente. 2. Al estar los tubos refrigeradores agrupados de forma compacta, el movimiento del buque no afecta para la regulación. 3. Llevando cargas tales como plátanos -a los que hay que mantener su temperatura en climas muy fríos-, se puede circular para este menester salmuera caliente en vez de fría. 4. Cuando se usa circulación vertical del aire, hay un diseño correcto y una buena estiba de la carga, se obtienen diferencias de temperaturas entre los distintos espacios de una bodega inferiores a 1 °C. INCONVENIENTES: 1. Es el sistema más caro, no siendo éste un argumento válido contra su uso si tenemos en cuenta el valor de una carga completa de un buque grande 2. La refrigeración no se debe mantener durante las operaciones de estiba, en atención al personal. 3. Hay tendencia de los sistemas de circulación forzada de aire a secar la carga.