El concepto de refrigeración tiene que ver con la disminución de la temperatura de un cuerpo o una sustancia. Otros conceptos tienen que ver no solo con la reducción sino con el mantenimiento de esa temperatura por debajo de la del ambiente o entorno.

La aplicación de los procesos de refrigeración es tan antigua como el hombre mismo, con el fin de conservar los alimentos principalmente. Uno de los primeros “refrigeradores” primitivos fue el permafrost o barro congelado; este método los hacían los primitivos hombres haciendo huecos en la tierra, donde ubicaban los alimentos para después taparlos con el mismo barro o una combinación de barro con piedras, constituyéndose en el primer “ refrigerador “ hecho por el ser humano.

Otro elemento empleado en refrigeración es el hielo, dicho refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo.

El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5°C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación.

En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor.

1.1. APLICACIONES DE LA REFRIGERACION

Ahora hay numerosas aplicaciones para los procesos de refrigeración: Como ejemplos tenemos:

· Conservación de productos alimenticios.

· Transporte de alimentos

· Conservación de productos farmacéuticos.

· Acondicionamiento de aire

· Plantas secadoras

· Instalación de enfriamiento de agua

· Contenedores refrigerados.

· Procesos industriales.

· Bombas de calor

· Fábricas de hielo

· Liofilización.

De hecho, es difícil imaginar la vida sin refrigeración y congelación, este impacto en nuestra existencia es mucho más grande que lo que la gente se imagina. Las aplicaciones en refrigeración se han agrupado en seis grandes categorías generales

1.1.1. REFRIGERACION DOMESTICA

Este campo está limitado principalmente a refrigeradores y congeladores caseros. Sin embargo, debido a que es muy grande el número de unidades en servicio, la refrigeración doméstica representa una parte significativa de la refrigeración en general.

Las unidades domésticas son de tamaño pequeño teniéndose capacidades de potencia que fluctúan entre 1/20 y ½ HP y los compresores son de sellado hermético.

1.1.2. REFRIGERACION COMERCIAL

Se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al menudeo, restaurantes, hoteles e instituciones que se dedican al almacenamiento, exhibición, procesamiento y a la distribución de artículos de comercio. Las capacidades de los compresores pueden variar de los ½ HP hasta los 5 HP. Los cuales pueden ser herméticos o semiherméticos.

1.1.3. REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL

A menudo se confunde con la refrigeración comercial porque su división no está claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son mas grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y, la característica que las distingue es que requieren un empleado para su servicio. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes empacadoras de alimento, cervecerías, lecherías, etc. Las capacidades de los compresores son, por lo general de 5 HP en adelante, pudiendo ser semiherméticos o abiertos.

1.1.4. TRANSPORTE REFRIGERADO

Se refiere a la refrigeración que se tiene camiones, barcos de tipo pesquero, y barcos de transporte de alimentos, trenes, etc. La refrigeración de transporte se refiere al equipo de refrigeración utilizado en camiones, conteiner, etc.

1.1.5. ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

Concierne o se refiere a la condición del aire en algún área o espacio designado. Por lo general involucra no únicamente el control de la temperatura del espacio, sino también de las condiciones de humedad del mismo, filtrado y limpieza.

Las aplicaciones de acondicionamiento de aire son de dos tipos : las aplicaciones estacionarias y las móviles. Entre las aplicaciones estacionarias se tiene los siguientes equipos:

Entre las aplicaciones móviles, se tienen:

1.2. SISTEMAS DE REFRIGERACION

Se puede efectuar la refrigeración por comprensión de vapor, por absorción y termoelectricidad.
El sistema de refrigeración que más se emplea es el de comprensión. En las máquinas de este tipo constituye la parte central del sistema la bomba o compresor, que recibe vapor a baja presión y lo comprime. Con esta operación se elevan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de salida hasta el condensador térmico, donde el vapor cede su calor al agua o aire frío que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende hasta el punto de condensación, y se convierte en líquido con la correspondiente liberación de calor que ocurre en estos casos.

El agente frigorífico, en estado líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo y de allí fluye por un conducto o válvula, o el tubo reductor, disminuye la presión del líquido a medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este vaporizador se haya en el espacio que desea refrigerar. El aire tibio de este recinto le transmite, por contacto, al vaporizador parte de su calor, y hace que el líquido se evapore. Como se ve este nuevo cambio de estado, de líquido a vapor, se efectúa aumentando la temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el tubo de succión, el vapor caliente del evaporador, y, después de volverlo a comprimir, lo impulsa al condensador, como se explicó anteriormente. Se repite así el proceso en ciclos continuos. En las grandes instalaciones refrigeradoras se utiliza generalmente amoníaco como agente frigorífico, mientras que en los refrigeradores domésticos se emplea anhídrido sulfuroso, cloruro de metilo y freón. Desde que se comenzó a refrigerar mediante sistemas mecánicos se ha aumentado constantemente el número de agentes frigoríficos, lo cual se debe a las investigaciones efectuadas por los químicos en su afán de hallar nuevas sustancias con características apropiadas para responder a las necesidades planteadas por los nuevos usos y tipos de instalaciones. Los refrigerantes sintéticos conocidos con el nombre de freones, constituyen un buen ejemplo del resultado alcanzado gracias a las investigaciones científicas.

En el sistema de absorción se consigue el enfriamiento mediante la energía térmica de una llama de gas, de resistencias eléctricas, o de la condensación del vapor de agua a baja presión. La instalación tiene una serie de tubos de diversos diámetros, dispuestos en circuito cerrado, los cuales están llenos de amoniaco y agua. El amoniaco gaseoso que hay en la instalación se disuelve fácilmente en el agua, formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse ésta en la llama de gas, o por otro medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se enfría en el condensador, bajo la acción de agua o aire frío, se produce la condensación y se convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una válvula dentro de evaporador, donde enfría el aire circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce nuevamente su evaporación. A continuación, entra el amoniaco, en estado gaseoso, en contacto con el agua, en la cual se disuelve. Esta fuerte solución de amoníaco retorna, impulsada por la bomba, al gasificador o hervidor, donde la llama de gas se calienta, entonces vuelve a repetirse el ciclo.

Tanto el sistema de enfriamiento por absorción como el de compresión, están basados en los cambios de estado del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador, vaporizador y el medio adecuado para crear la presión necesaria que motive la condensación, tal como un compresor o una fuente que produzca calor.

El sistema de termoelectricidad consiste en placas semicondutoras que al aplicarles un voltaje de tipo directo, en un lado de la placa se torne caliente y el otro lado frío, este mecanismo aun es muy ineficiente pero con el paso del tiempo se esta empleando en pequeños bebederos y neveras para vehículos.

1.3. ESTADOS DE LA MATERIA

Toda materia conocida, existe de las tres formas físicas estados: Sólida, líquida o gaseosa. Hay marcada diferencia entre estos estados físicos, a saber. Cambios de Estado de la materia. En la siguiente tabla se presentan algunas características físicas de dichos estados.

Estado	Sólido	Líquido	Gas
Volumen	Definido	Definido	Indefinido
Forma	Definida	Indefinida	Indefinida
Compresibilidad	Incompresible	Incompresible	Compresible
Atracción entre Moléculas	Intensa	Moderada	Despreciable

1.3.1. ESTADO SÓLIDO

En el Estado Sólido, las Moléculas ocupan posiciones fijas dentro de una Red Cristalina y su movimiento se reduce a vibraciones. Las moléculas, átomos o iones que componen la sustancia considerada están unidas entre sí por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto.

La mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella las partículas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen propios.

1.3.2. ESTADO LÍQUIDO

En el Estado líquido el movimiento de las Moléculas se halla restringido. A nivel microscópico se caracteriza porque la distancia entre las moléculas es sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamaño de la molécula, en un líquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el diámetro molecular, y sólo un poco mayor que en los sólidos. Eso explica que la densidad de los líquidos sea, salvo algunas excepciones, sólo algo inferior a la de los sólidos.

La proximidad entre las moléculas hace que se dejen sentir fuerzas atractivas de interacción, que evitan que una molécula pueda "escaparse" de la influencia del resto, como sucede en el estado gaseoso, pero que les permite moverse deslizándose unas sobre otras. Por esta razón los líquidos no poseen forma propia, sino que se adaptan a la del recipiente que los contiene, es decir, pueden fluir. Sin embargo, el hecho de que las moléculas estén ya suficientemente próximas hace de los líquidos fluidos incompresibles. Toda compresión lleva consigo una disminución de la distancia intermolecular, y si ésta fuera apreciable entrarían en juego las fuerzas repulsivas entre los núcleos atómicos que se opondrían a dicha compresión y la neutralizarían.

1.3.3. ESTADO GASEOSO

En el estado gaseoso las moléculas están muy separadas en el espacio. El Volumen real de las moléculas individuales es despreciable en comparación con el volumen total del Gas como un todo. Ejemplo Si un cilindro de un pie cúbico, que contiene vapor de agua o cualquier otro gas, se conecta a un cilindro de 2 pies cúbicos, el vapor se expandirá para ocupar el volumen del cilindro mayor. Los gases poseen las siguientes propiedades:

· Las fuerzas de atracción entre las moléculas son débiles o despreciables.

· Las moléculas poseen mucha libertad de movimiento.

· Las moléculas del gas tienden a ocupar todo el espacio del recipiente que los contenga.

· Los gases se pueden comprimir y descomprimir.

1.3.4. ESTADO PLASMA

Cuando se aplica grandes cantidades de calor, el gas comienza a estar un estado de gas supercalentado, en ese momento, los electrones de la periferia de los átomos del gas, comienzan a desprenderse de los mismos, convirtiéndose en átomos cargados eléctricamente o iones, por eso a este nuevo estado se le denomina gas ionizante, adquiriendo propiedades eléctricas.

1.4. COMPORTAMIENTO DE LA MATERIA

Se conocen entonces varios cambios de estado de la materia y todos ellos ocurren por la absorción o eliminación de calor a temperatura constante.

· SOLIDIFICACION: Pasa de líquido a sólido.

· FUSION O LICUEFACCION: Pasa de Sólido a líquido.

· VAPORIZACION O EVAPORACION: pasa de líquido a vapor.

· CONDENSACION: Pasa de vapor a líquido.

· SUBLIMACION: Pasa de Sólido a vapor sin pasar por el estado líquido.

· SUBLIMACION INVERSA: Pasa de vapor a sólido sin pasar por el estado líquido.

Todos los cambios de estado tienen las siguientes características:

· Ocurren a temperatura constante.

· Suceden debido a la absorción o retiro de grandes cantidades de calor.

1.1. ESTANDARES DE MASA, TIEMPO, LONGITUD, VELOCIDAD, ACELERACION, FUERZA, ENERGIA, POTENCIA, CALOR.

1.5.1. MASA ( m )

Es la cantidad de materia que poseen los cuerpos. Sus unidades son el gramo, Kilogramo masa ( SI ), Slug o libra masa ( S ingles ).

Conversiones:

1 Slug = 14.59 Kg

1 Lbm = 453,59 grm

1 kgm = 2,205 Lbm

1.5.2. TIEMPO ( t )

Se mide en segundos, minutos, horas.

1.5.3. LONGITUD ( L )

Para medir distancias; en el sistema internacional ( SI ) la unidad de medida es el Metro; en el sistema de medición ingles el Pie ( FeeT ) o Pulgadas ( inches ).

Conversiones:

1 Ft = 0.3048 Mts	1 in = 2.54 cms	1 Yarda = 3 Ft
1 Milla = 5280 Ft	1 Milla = 1,61 Kms

1.5.4. SUPERFICIE ( A )

Se refiere a un porción, contorno o capa que delimita a un cuerpo. Sus unidades comunes son de longitud cuadradas como metros cuadrados, pulgadas cuadradas, etc

1.5.5. VOLUMEN ( V_OL )

Es el espacio que ocupa un cuerpo. Se mide en unidades de longitud cúbicas.

Conversiones:

1 Litro = 1000 cms³	1 Litro = 0,0353 Ft³	1 Litro = 0,2642 Galones
1 Litro = 61,025 in³	1 Litro = 10^-3 Mts³

1.5.6. VELOCIDAD ( V )

Es la distancia que se recorre en un tiempo determinado. Sus unidades están en función de unidades de longitud entre unidades de tiempo.

1.5.7. ACELERACIÓN ( a )

Es el cambio de la velocidad en el tiempo, sus unidades son Metros/Seg ², pies/seg² . Su fórmula es:

a = Velocidad Final – Velocidad Inicial

Tiempo

1.5.8. GRAVEDAD ( g )

Es la aceleración que experimentan los cuerpos al caer, su valor a nivel del mar es deM9.8 Mts/ Seg². La gravedad varia con la altura sobre el nivel del mar, a mayor altitud, menor es la gravedad. En el espacio, la gravedad es CERO, por esta razón los cuerpos no caen y flotan.

1.5.9. FUERZA ( F )

Es toda acción que puede causar una deformación, desplazamiento o modificar el estado de movimiento de un cuerpo. Su fórmula es:

Fuerza = Masa * Aceleracion

Conversiones:

1 Lbf = 4.448 N	1 Kgf = 9.8 N	1 N = 10⁵ Dinas
1 Tonelada = 2000 Lb

1.5.10. PESO

Es la atracción que experimenta la masa al efecto de la gravedad. Su fórmula es:

Peso = Masa * Gravedad

Posee las mismas unidades de fuerza.

1.5.11. ENERGIA ( E )

La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de hacer funcionar las cosas.

Debido a su variada naturaleza, se puede encontrar energía mecánica ( trabajo ), energía eléctrica, energía calorífica, energía química, energía lumínica, etc.

Sus unidades comunes son Joules, Calorias, BTU, Ergios, FtLb

1.5.12. TRABAJO ( W )

Medida de la transferencia de energía de tipo mecánica que se produce cuando un objeto es movido cierta distancia por la acción de una fuerza. Se considera un tipo de energía mecánica.

Trabajo ( W ) = Fuerza * Distancia recorrida = F * d

Sus unidades comunes son: Jouls ( N*mts ); Lbf Ft ; Kgf Mts

Conversiones:

1 Kgf Mts = 9.8 J

1 Ft Lb = 1.356 J

1 Joul = 10⁷ Ergios

Hay otros tipos de energías térmicas que son medidas en BTU y Calorías, las cuales tienen que ver con la variación de la temperatura de una sustancia, cuando adicionamos o retiramos calor de una sustancia.

1.5.13. CALOR ( Q )

El calor es energía de tipo térmica, en tránsito debido a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos, la cual puede ya sea variar la temperatura de las sustancias o cambiar su estado.

La unidad de calor que se emplea comúnmente es la CALORIA, definida como la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 ºC hasta 15.5 ºC. La unidad de calor en el sistema ingles es el BTU ( BRITISH THERMAL UNIT ) y se define como el calor requerido para variar la temperatura de 1 libra masa de agua desde 63 ºF hasta 64 ºF.

Las unidades comunes de calor son:

1 Caloria = 4,1868 J	1 BTU = 778,16 Ft Lbf	1 BTU = 1055,07 J
1 BTU = 0,252 KCalorias	1 Kwatt Hr = 3413 BTU	1 Kcal = 1,1626 Watt Hr

El aumento o disminución de temperatura de una sustancia depende en gran medida de la cantidad de calor añadido o retirado de la misma, o sea, a mayor calor añadido mayor temperatura y viceversa; también depende de la masa de la sustancia, o sea, a mayor masa menor será el incremento o decremento de temperatura. Pude decirse entonces que:

DT è ( 1 / m ) y DT è ( Q ) por lo tanto se puede decir que DT è ( Q / m )

Si se despeja Q se tiene que: Q = DT * m

Ver video:

CONCEPTO DE CALOR COMO FORMA DE ENERGIA

1.5.13.1. CALOR ESPECÍFICO ( Ce )

Es el calor que tiene una sustancia por unidad de masa, en otras palabras, es la cantidad de calor que se requiere, para que la unidad de masa de un cuerpo o sustancia varie su temperatura ya sea en 1 ºF o 1ºC. Sus unidades comunes son:

KJ/Kg ºK o BTU/Lbm ºF

El calor especifico varia de sustancia a sustancia y depende si se hace a presión constante o volumen constante.

1.5.13.2. CALOR ESPECIFICO A PRESION CONSTANTE ( C_P)

Es el número de unidades de calor agregados por unidad de masa para aumentar la temperatura en un grado cuando la presión se mantiene constante. Es el mas común en los cálculos de calor.

1.5.13.3. CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE ( C_V )

Es el numero de unidades de calor agregados por unidad de masa para aumentar la temperatura de un fluido en un grado cuando se mantiene constante el volumen.

Ambos calores específicos varían ligeramente con la temperatura en que se trabaje. Las unidades de ambos son: BTU / Lbm ºR; JOUL/Kg º K

Conversiones

1 kJ/ ( Kg ºK ) = 0,2389 BTU/( Lbm ºF )

SUSTANCIA	C_P PROMEDIO EN BTU/Lbm ºF	C_P PROMEDIO en KJ/Kgm ºK
AGUA	1,0072 * 10^-5	4,20
AMONIACO	1,09 * 10^-5	4,7
PLACA DE VIDRIO	0,2	0,8
ASBESTO	0,195	0,816

1.5.13.4. CALOR SENSIBLE

Es aquel calor que varia la temperatura de un cuerpo o sustancia sin cambiar el estado del mismo.

Por lo visto hasta el momento, si una sustancia se le transfiera calor a presión constante, esta variación de temperatura depende en parte de la cantidad de masa de la sustancia y de las características de la misma, se puede concluir entonces que:

Q = m * Cp * DT

Q = m * Cp * ( T_FINAL – T_INICIAL )

De lo anterior se deduce que si el calor nos da un valor positivo, implica que la temperatura final de la sustancia es mayor que la temperatura inicial de la misma, por tanto se le ha agregado calor. Si el calor nos da un valor negativo, implica que la temperatura final es menor que la inicial, por tanto se ha retirado calor de la sustancia.

Para efectos de cálculo se emplea muchas veces el concepto de calor especifico, que no es nada más que el calor por unidad de masa y sus unidades comunes son BTU/Lbm y Kcal / grm

q = Q/m è q = [ m * Cp * ( T_FINAL – T_INICIAL ) ] / m

q = Cp * DT = Cp * ( T_FINAL – T_INICIAL )

1.5.13.5. CALOR LATENTE

Es aquel calor que varía o cambia el estado de una sustancia manteniendo contante su temperatura durante todo el proceso.

La fórmula del calor sensible no es aplicable ya que en el calor latente, se mantiene constante la temperatura y por tanto el DT se hace cero ( 0 ). En el calor latente hay un cambio de fase de la sustancia por tanto:

Q = m * L

Q = ( H_FINAL – H_INICIAL )

m: Masa de la sustancia

L: Calor latente a una presión dada

H: Entalpia de la sustancia a una presión y temperatura dada

Para efectos de cálculo se emplea también a veces el concepto de calor especifico, que no es nada más que el calor por unidad de masa y sus unidades comunes son BTU/Lbm y Kcal / grm

q = Q/m è q = ( H_FINAL – H_INICIAL ) / m

q = ( h_FINAL – h_INICIAL ), donde h es la entalpia especifica h = H/m

Ver video:

CONCEPTO DE CALOR COMO FORMA DE ENERGIA

1.5.14. METODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Se había dicho que el calor es la energía en transito que ocurre cuando hay una diferencia de temperatura entre dos o mas sustancias o cuerpos. El calor se transmite desde la sustancia con mayor temperatura hasta la de menor temperatura hasta que exista un equilibrio térmico. El calor se trasmite por varios medios entre los que están:

1.5.14.1. CONDUCCION

La conducción se define como el flujo calor entre cuerpos sólidos en contacto. Los primeros adelantos relacionados con la conducción de calor , se deben, en gran parte, a los estudios del matemático francés Fourier, que propuso la ley que lleva su nombre.

1.5.14.2. CONVECCION

Se refiere al flujo de calor entre una superficie y un fluido en contacto con dicha superficie, en la medida que exista una diferencia de temperatura entre las mismas. Por ejemplo, considere una pared caliente vertical y en contacto con un fluido muy frío. Con el transcurso del tiempo, el fluido en contacto inmediato con la pared se calienta por conducción, provocando que el fluido se haga menos denso. Debido a la diferencia de densidades, se obtiene una fuerza de flotación resultante, provocando que el fluido más ligero se eleve y lo reemplace otra cantidad de fluido más frío, repitiéndose continuamente este proceso. Puesto que el movimiento de fluido queda establecido por fuerzas naturales, a este tipo de convección se le llama LIBRE o NATURAL. Si en la pared del ejemplo mencionado se colocara a funcionar un ventilador, entonces la fuente externa ( el ventilador ) provocaría el movimiento del fluido, dando como resultado una convección FORZADA. En la práctica, se emplea la siguiente expresión para determinar razones de transferencia de calor por convección:

1.5.14.3. RADIACIÓN

En la radiación, no se requiere que exista un fluido para que las superficies intercambien calor. Los líquidos, sólidos y algunos gases emiten radiación térmica como resultado de sus temperaturas. Un emisor ideal, que se llama CUERPO NEGRO, emite radiación térmica de acuerdo a la ecuación de Stefan – Boltzman:

Como conclusión general de analizar los tres procesos se pude analizar que:

· La transferencia de calor es directamente proporcional a la diferencia de calor entre los elementos involucrados.

· El tipo de material por el cual se trasmite el calor influye en la cantidad del mismo.

· El área transversal al flujo de calor es directamente proporcional al flujo del mismo.

1.5.14.4. ANALOGIA ENTRE CONDUCCIÓN DE CALOR, CONDUCCIÓN ELECTRICA Y SISTEMAS HIDRAULICOS.

Si un resistor eléctrico que tiene un valor de resistencia constante R, tiene una diferencia de voltaje V, que se imprime a través de él, se sabe por experiencia que fluirá una corriente eléctrica I, a través del dicho resistor. La magnitud de la corriente varia linealmente con la magnitud de la diferencia de voltaje impresa a través del resistor. Una situación análoga se encuentra en el caso del flujo de agua que emana de un grifo a baja velocidad. Extendiendo esta analogía al caso de flujo de calor a través de una pared, es posible encontrar las siguientes comparaciones:

· La diferencia de temperatura a través de la pared representa la diferencia de potencial o la fuerza de empuje.

· Q representa al flujo de corriente I.

· ( L / K A ) que aparece en la ecuación de Q, representa la resistencia térmica al flujo de3 calor por conducción.

En conclusión:

V = I * R análogamente ( T₂ – T₁ ) = Q ( L / KA )

Donde :

V @ ( T₂ – T₁ )

I @ Q

R @ ( L / KA )

1.5.15. TEMPERATURA ( T )

Es la medida de la cantidad de energía calorífica de un cuerpo. Las medidas comunes de temperatura son Grado centígrado ( ºC ) el Grado Fahrenheit ( º F ), el Grado Kelvin ( ºK ) y el grado Ranking ( ºR ).

Conversiones:

º K = ºC + 273,15

º F = 1.8 ºC + 32

ºR = ºF + 459,67

ºR = 1,8 ºK

1.5.16. POTENCIA ( P )

Es la rapidez con que se realiza un trabajo, la eficiencia con que realiza un trabajo o la rapidez con que se produce o consume energía.

Potencia ( P ) = Energía / tiempo = W/t

Sus unidades comunes son:

Watt ( W ): Muy usado en sistemas de potencia eléctrica, pero también se usa mucho en sistemas de potencias térmicas. El watt sale de la energía en Jouls utilizada en 1 segundo.

Caballos fuerza ( Hp ): Muy usado en sistemas de potencias de tipo mecánico. El HP ( Horse Power ) fue propuesto por James Watt para expresar la potencia que podía desarrollar la novedosa máquina de vapor (en su época), con respecto a la potencia que desarrollaban los caballos. Estos animales eran las «máquinas» de trabajo que se usaban ampliamente para mover molinos, levantar cargas, mover carruajes y muchas otras actividades. Tras varios experimentos y aproximaciones de cómo medir y expresar la potencia de los caballos, James Watt estimó que un caballo podía levantar 330 libras-fuerza a una altura de 100 pies en un minuto.

Por tanto 1 HP = 33300 Lbf Ft / Min

BTU/Hr, Calorias/Hr: Son unidades de potencias térmicas, muy usadas en refrigeración y climatización relacionadas con la energía térmicas que se extrae o ingresa a una sustancia en el tiempo.

Las maquinas, para poder funcionar, requieren el suministro de una potencia ( Potencia de Entrada o de Suministro ), la cual se convierte en otro tipo de potencia ( de salida o útil ) de acuerdo a los requerimientos:

Conversiones:

1 Ft Lb/Seg = 1.356 W	1 BTU/Hr = 0,293 Watt	1 HP = 550 Ft Lbf / Seg
1 Hp = 2545 BTU/Hr	1 Hp = 746 W	1 Watt = 3,413 BTU/Hr
1 Kw = 1000J/seg	1 Kw = 1.35 Hp	1 Kw = 3600 Kj/hr

1.5.17. FLUJO DE CALOR O POTENCIA CALORIFICA ( )

Es el calor transmitido o transferido por unidad de tiempo.

Flujo de calor o Potencia Frigorífica o Calórica = Q / t = q * ( m/t ) = q *

Sus unidades comunes son: Cal/Hr ; BTU/Hr; Tonelada de refrigeración.

Esos datos los podemos ver en la etiqueta del articulo:

OBS: En el caso de extracción de calor a un cuerpo o sustancia se le denomina Potencia Frigorífica.

Ver video:

UNIDADES DE CALOR Y POTENCIA FRIGORIFICA EN SISTEMAS DE REFRIGERACION Y CLIMATIZACION

Conversiones:

1 BTU/HR = 0,293 WATT	1 BTU/HR = 1.055 KJ/HR	1 BTU/HR = 0.252 KCAL/HR	1 BTU/HR = 778 FT LBF/HR
1 KWATT = 3413 BTU/HR	1 KWATT = 1.341 HP	1 KWATT = 859.8 KCAL/HR	1 KWATT = 3600.7 KJ/HR
1 TR = 12000 BTU/HR	1 TR = 3.516 KWATT	1 TR = 4.715 HP	1 TR = 12660 KJ/HR
1 HP = 2545 BTU/HR	1 HP = 0.7457 KWATT	1 HP = 0.212 TR	1 HP = 2685 KJ/HR

1.6. ALGUNAS PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS DE USO EN EL ANALISIS DE SISTEMAS DE REFRIGERACION O CLIMATIZACION.

1.6.1. DENSIDAD ( r )

Es la relación de la masa de una sustancia entre el volumen que ocupa la misma sustancia, en otras palabras se refriere al grado de compactación de la materia en una unidad de volumen. Sus unidades comunes son Gramo/cms² ; Lbm/ft³

r = ( Masa / Volumen ) = m / V_OL = 1 / V_S

1.6.2. VOLUMEN ESPECIFICO ( v_S ):

Es la relación entre el volumen que ocupa la masa de una sustancia, o sea, el inverso de la densidad. Se puede deducir también como el volumen que ocupa la unidad de masa de la sustancia, o también como el espacio que ocupa una unidad de masa. Es un concepto con el cual medimos indirectamente el tamaño de las moléculas de las sustancias para el caso de los refrigerantes; a mayor densidad de la sustancia, significa que el tamaño de las moléculas es pequeño y por tanto se pueden “acomodar” más moléculas en el mismo espacio, haciendo que exista, por consiguiente, mayor masa en ese espacio. Para el concepto del volumen específico, al tener menor tamaño esa molécula, entones su masa ocupa menos espacio y por consiguiente el valor del volumen específico es menor

v_S = ( Volumen / Masa ) = V_OL /m = 1 / r

El volumen especifico y la densidad son dos factores que hay que tener en cuenta en el rendimiento de los compresores:

Ver video:

CONCEPTOS DE DENSIDAD Y VOLUMEN ESPECIFICO Y SU INFLUENCIA EN RENDIMIENTO DE COMPRESORES

1.6.3. CAUDAL O FLUJO VOLUMETRICO ( Q_VOL )

Es la cantidad de volumen de un fluido por unidad de tiempo. Sus unidades son Lts/ seg; Mts³/Hr

Q_VOL = ( Volumen / tiempo ) = V_OL/ t = m / ( t * r ) = ( / r )

Q_VOL = ( Velocidad fluido * Area transversal del chorro fluido ) = V * A

1.6.4. PESO ESPECIFICO ( g )

Es la relación entre el peso de una sustancia y el volumen de la misma. Sus unidades comunes son: N/Mts³ ; Lbf/Ft³ .

g = W / V_OL = m g / V_OL = r * g

1.6.5. PRESION

Es la relación entre la fuerza normal que actúa sobre una superficie. Sus unidades comunes son: Pa ( N / mts² ); PSI ( Lbf / in² ) ; Kgf/ cms².

Conversiones:

1 Bar = 10⁵ Pa

1 Kgf / Mts² = 9.8 Pa

1 Lb/in² ( PSI ) = 6895 Pa

1 PSI = 6895*10^-5 Bar

14,22 PSI = 1 Kgf/cms²

La presión ejercida por fluidos ( líquidos y gases ) se dan en todos los sentidos y direcciones con la misma intensidad.

Gracias a esta propiedad, su usan fluidos hidráulicos para multiplicación de fuerzas:

1.6.5.1. PRESION ATMOSFERICA

Es la presión ejercida por la masa de los gases de la atmósfera normal a una superficie y medida con un instrumento que se llama Barómetro; esta presión varía según la altitud sobre el nivel del mar, a mayor altitud, menor presión atmosférica.

La presión atmosférica tiene un valor de:

1 atmósfera

760 mm Hg

14.7 Psi

101325 Pa

1,033 Kgf/cms²

101325*10 ^-5 Bar = 1,01325 Bar

Gracias a la presión ejercida por los gases que componen la atmósfera, se sostiene la vida del planeta en sus diferentes niveles, porque no solo permiten nuestra existencia sino la presencia de agua líquida en el mismo.

Podemos decir que la presión atmosférica regula o controla la evaporación de los fluidos dependiendo de sus propiedades y condiciones ambientales:



Incluso actividades como beber de un pitillo o papote son posibles gracias a la presión atmosférica:

El primer experimento de medición de la medida de la presión atmosférica fue realizado por el Monje Torricelli usando mercurio y un tubo ensayo, de la siguiente forma:



La presión atmosférica varía según la altura sobre el nivel del mar, a mayor altura, menor es la presión atmosférica.



Este comportamiento lo podemos ver en otras actividades:

1.6.5.2. PRESIONES DE VACÍO

Son presiones con valores inferiores a la presión atmosférica, tiene muchas unidades las más comunes son las pulgadas de mercurio, centímetros de mercurio, bares negativos, psi negativos y los micrones de mercurio.

Ver video:

DIFERENCIA ENTRE PRESION MANOMETRICA Y PRESION ABSOLUTA

https://youtu.be/iwBvEZ-ek0Y

1.6.5.3. PRESION ABSOLUTA

Es la presión que se muestra teniendo en cuenta la presión atmosférica y la manométrica, también se puede interpretar como la presión medida partiendo del vacío absoluto.

PRESION ABSOLUTA = PRESION ATMOSFERICA + PRESION MANOMETRICA

1.6.5.4. PRESION MANOMETRICA

Es la presión ejercida por el fluido en sí sin tener en cuenta la presión atmosférica. El instrumento que sirve para medirla, se denomina Manómetro. Un manómetro se caracteriza principalmente porque su medida comienza de cero a presión atmosférica

Fig 1. Manómetro de refrigeración.

PRESION MANOMETRICA = PRESION ABSOLUTA – PRESION ATMOSFERICA

Un manómetro mide la diferencia entre la presión medida y la atmosférica en el sitio. Un manómetro empleado en refrigeración también posee las unidades de vacío o presiones menores que la atmosférica medida ya sea en pulgadas de mercurio o en centímetros de mercurio.

Vemos este ejemplo:

CONCEPTO DE PRESIÓN Y SU IMPORTANCIA EN LA REFRIGERACION

https://youtu.be/H7vIcWCt62Q

1.6.6. FLUJO DE MASA O MASICO ( )

Es la cantidad de masa de un fluido que pasa por un conducto por unidad de tiempo. Sus unidades comunes son: Lbm/seg; Kgm/Seg

= ( Masa / Tiempo ) = Densidad fluido* Flujo = r * Q_V

1.6.7. ECUACION DE ESTADO DE LOS GASES Y LEYES DE LOS GASES.

P V = m R T R = Ř / M

Ř = 1,986

Ř = 847,7

Ř = 1,986

Ř = 1545

(Ř = 10,73

Donde:

R: Constante para un gas en particular.

M: Peso molecular del gas en Kgm/Kmol o KLb/Kmol

Ř: Constante universal de los gases.

T: Temperatura en grados absolutos.

m: Masa del gas.

P: Presión del gas absoluta.

V: Volumen del gas

De lo anterior, se deduce que para dos estados en el tiempo de un gas se tiene que:

P_INICIAL V_INICIAL = m R T_INICIAL y P_FINAL V_FINAL = m R T_FINAL

Como m*R es una constante en ambas situaciones, se pueden igualar las mismas con el siguiente resultado:

{ ( P_INICIAL V_INICIAL )/ T_INICIAL } = { ( P_FINAL V_FINAL )/ T_FINAL }

Uno de los aspectos más importantes de la ecuación de estado radica en la relación directa que tiene la presión con la temperatura y el volumen del mismo gas:

· A mayor presión, el gas contenido en un recipiente experimenta un aumento en su temperatura.

· A menor presión, el gas contenido en un recipiente experimenta una disminución en su temperatura.

Ahora si se comprime el gas del recipiente:

Al de entrar de lleno en la ecuación de estado, hay que recordar algunas leyes como:

· Ley de Avogadro: Indica o relaciona que, si se mantiene constante la presión y la temperatura de la sustancia, el volumen ocupado por la sustancia es directamente proporcional el número de moles o moléculas n del gas.

· Ley de Dalton o presiones parciales: Indica o relaciona que si hay dos o mas gases dentro de un recipiente, la presión total de la mezcla de gases es la suma de las presiones individuales de cada gas componente de la mezcla.

Presion total de la sustancia = Presión gas 1 + Presión gas 2 + …+ Presión gas n

· Ley de Charles: Expresa que si se mantiene la presión de un gas constante, y se le adiciona calor, este aumenta su volumen y temperatura; si se le quita calor, el gas disminuye su temperatura y volumen. en otras palabras, a presión constante el volumen de la sustancia es directamente proporcional a la temperatura de la misma

( V_INICIAL/T_INICIAL ) = ( V_FINAL/T_FINAL )

( V_INICIAL*T_FINAL ) = ( V_FINAL*T_INICIAL )

Por otro lado, si:

· Ley de Gay Lussac: Expresa que si se mantiene un volumen constante de una sustancia, y se le adiciona calor, aumenta la temperatura y aumenta su presión; si se le quita calor, el gas disminuye su presión en otras palabras, a volumen constante la presión de la sustancia es directamente proporcional a la temperatura de la misma.

( P_INICIAL/T_INICIAL ) = ( P_FINAL/T_FINAL )

( P_INICIAL*T_FINAL ) = ( P_FINAL*T_INICIAL )

Por otro lado, si:

· Ley de Boyle: Expresa que si se mantiene la temperatura de un gas constante, si se aumenta su volumen, este disminuye su presión y viceversa.

P_INICIAL*V_INICIAL = P_FINAL*V_FINAL

Por otro lado, si:

· Ley Combinada de los gases: Establece la relación entre la presión ( P ) , la temperatura ( T ) y el volumen ( V ) de la masa fija de un gas.

Al variar ya sea la temperatura, la presión o el volumen, se tiene otra condición:

Ver video:

LEYES DE LOS GASES Y SU APLICACION EN LA REFRIGERACION Y CLIMATIZACION

1.7. EL ASUNTO DE LA REFRIGERACION

Como lo que se desea en la refrigeración es la disminución o reducción de la temperatura de un cuerpo o sustancia, ya se sabe que, si un cuerpo pierde calor, entonces su temperatura disminuye e inclusive puede cambiar a un estado de la materia donde sus moléculas estén más unidas; si un cuerpo gana calor, entonces experimenta un aumento de su temperatura o puede cambiar a un estado de la materia donde sus moléculas estén más separadas.

Para reducir la temperatura de la sustancia, recordemos la ley de GAY LUSSAC:

Recordemos que los fluidos al incrementar su velocidad pierden presión y éste el principio de vuelo de los aviones.

En conclusión:

Para incrementar la velocidad de un fluido, Analicemos cuando un fluido pasa por un conducto que cambia de sección o tamaño.

Por tanto:

Con relación a las pérdidas de rozamiento:

OBS: La anterior ecuación depende mucho del estado de turbulencia del fluido que se determina con el número de Reynolds.

Ver video:

COMO ES EL PROCESO PARA REFRIGERAR UNA SUSTANCIA O CUERPO

La variación de la temperatura en un recinto depende del equilibrio de la siguiente ecuación:

CALOR ENTRA + CALOR GENERADO = CALOR SALE

Donde:

Analicemos las siguientes situaciones cuando:

CALOR ENTRA + CALOR GENERADO < CALOR SALE

Analicemos las siguientes situaciones cuando:

CALOR ENTRA + CALOR GENERADO > CALOR SALE

Para seguir reduciendo la temperatura del recinto, se tienen tres opciones:

Ver video:

EQUILIBRIO DE CALOR EN UN RECINTO

1.8. DIAGRAMAS PRESION – ENTALPIA Y TEMPERATURA – ENTROPIA

En refrigeración generalmente se manejan dos variables, la temperatura y la presión. Con ambas propiedades se construyen dos diagramas:

1.8.1. ORIGENES DE LOS DIAGRAMAS DE MOLLIER

Los diagramas de los análisis de las sustancias son gráficos 3D tal cual como se observa:

Los gráficos vienen de las diferentes proyecciones de las caras en sistema 2d, tal como se muestra:

Veamos a continuación el diagrama de fases:

En este diagrama se observan los limites de los tres estados y los procesos de cambio de estado con base en las presiones y los valores de temperatura. En este grafico se identifican dos puntos en especial:

· El punto crítico: Es el punto que se da a altas presiones y altas temperaturas, donde es difícil distinguir la diferencia entre el estado liquido y el estado vapor.

· El punto triple: Es el punto en donde dadas unas condiciones de baja presión y temperatura, conviven en equilibrio los tres ( 3 ) estados.

El análisis especial está, en las condiciones del punto critico, en el cual podemos identificar tres condiciones:

· El fluido supercrítico cumple con dos condiciones: su temperatura esta por encima de la temperatura critica y su presión esta por encima de la presión critica.

· Liquido especial tiene temperaturas menores a la temperatura critica, pero presiones mayores a la presión critica.

· Vapor especial tiene presiones menores de la presión crítica, pero temperaturas mayores de la temperatura critica

En relación al diagrama de presión versus volumen se tiene:

· En el diagrama están los tres estados y sus zonas.

· Los limites entre los estados se identifican por líneas y se denomina saturadas. Se pueden observar las líneas de liquido saturado, vapor saturado y solido saturado.

A continuación, vamos a realizar el análisis del comportamiento de las sustancias cuando están sometidas a presiones menores que la presión crítica; en estas condiciones se concluye que:

· Es posible condensar o evaporar isotérmicamente.

· Es posible condensar o evaporar isobáricamente.

· Se distinguen fácilmente los estados.

· Hay diferencias entre el volumen que posee el estado liquido y el volumen que posee el estado vapor.

Ahora, las condiciones por encima del punto crítico son diferentes, entre los cuales podemos concluir:

· No es posible condensar o evaporar isotérmicamente por encima de la temperatura critica

· No es posible condensar o evaporar isobáricamente por encima de la presión critica.

· No se distinguen fácilmente los estados.

· No hay diferencias entre el volumen que posee el estado liquido y el volumen que posee el estado vapor.

Por lo expresado anteriormente, podemos dividir el diagrama en zonas, tal como se muestra:

Ver video:

ANALISIS DEL ORIGEN DE DIAGRAMAS DE FASES Y DE MOLLIER DE LAS SUSTANCIAS APLICADOS A REFRIGERACION

1.8.2. GENERALIDADES DEL PUNTO TRIPLE.

El punto triple de las sustancias es un punto muy especial porque coexisten los tres estados en equilibrio: el líquido, el gaseoso y el sólido. Ocurre a bajas temperaturas y bajas presiones. Se analiza a partir del diagrama de fases.

En este diagrama se pueden observar las fronteras de los cambios de estados, para el caso tomemos el ejemplo del agua:

En el diagrama a partir del valor de presión, se obtienen por consiguiente las temperaturas a las cuales esa sustancia cambia de estado , tal como se observa:

Analicemos ahora lo que pasa con las temperaturas de fusión o solidificación así como la de condensación o evaporación cuando se sube o reduce la presión de la sustancias, en este caso, el agua:

Analicemos ahora lo que pasa cuando se modifican la temperatura de la sustancia a manteniendo la presión constante:

En el caso de partir en el estado sólido:

Ver video:

1.8.3. DIAGRAMA TEMPERATURA Vs ENTROPIA ESPECIFICA

La entropía ( S ) es una medida de la irreversibilidad de los procesos que se realizan; un proceso es isoentrópico en la medida que es un proceso perfecto sin perdidas o sea, un proceso ideal done el S_INICIAL es igual al S_FINAL . Las unidades de entropía es el BTU, pero generalmente se trabaja con el valor de la entropía específica ( s ) cuyas unidades son BTU/Lbm ºR.

s = S / m 1 BTU/Lbm ºR = 1 Kcal/Kgm º K

Para una sustancia cualquiera se construye el diagrama T Vs S ubicando en el eje vertical se ubican los datos de temperatura y en el eje horizontal los valores de entropía S o de entropía específica s. La campana divide la fase de la sustancia en Liquida, Mezcla o la zona donde ocurre el cambio de fase y la fase gaseosa o de vapor.

En relación a las líneas de temperatura constante ( ISOTERMAS ), presión contante ( ISOBARICAS ), volumen especifico constante ( ISOCORICAS ), entropías constantes ( ISOENTROPICAS ) y entropías específicas constantes ( ISOENTROPICAS ), se pueden observar en las siguientes figuras:

Las curvas de presiones absolutas van en ascenso a medida que nos subimos en el diagrama y en descenso a medida que nos bajamos en el diagrama. Para cada presión absoluta se tiene una temperatura de saturación que es la temperatura a la que ocurre un cambio de estado, ya sea el proceso de evaporación o de condensación a temperatura constante a la presión indicada ( en los procesos de cambio de estado, la temperatura se mantiene constante ).

El valor de dicha temperatura se puede hallar en las tablas del vapor saturado de la sustancia, en las tablas del vapor recalentado de la sustancia o en los manómetros que miden las diferentes presiones. De acuerdo con lo expresado anteriormente una sustancia puede tener 5 condiciones:

Punto A: Se está en la zona de liquido a una presión atmosférica de 1 Bar. La temperatura del punto a por ser menor que la temperatura de saturación a la presión dada, se le denomina LIQUIDO SUBENFRIADO.

Punto B: Se está en la línea del líquido saturado a la temperatura de saturación para la misma presión, por tanto se le denomina LIQUIDO SATURADO. En este punto cualquier adición de calor , la sustancia experimenta un cambio de fase ( evaporación ).

Punto C: Se está en pleno cambio de fase a la temperatura de saturación para la presión dada. El factor característico de un cambio de fase es que la temperatura se mantiene constante. Cuando existe una sustancia en donde una parte de ella está en forma líquida y la otra en forma de vapor, como en este punto, se define su CALIDAD como la porción de masa de vapor a la masa total de la sustancia. La calidad sólo existe en cambio de fase.

CALIDAD ( X ) = ( Mv / Ms )*100%

Donde:

Mv: Masa vapor

Ms: Masa total sustancia

Masa total sustancia = Masa Vapor + Masa Liquido

Punto D: Se ha completado el cambio de fase y se está en la línea del vapor saturado, por tanto, se le denomina VAPOR SATURADO. En este punto cualquier eliminación de calor, la sustancia experimentara un cambio de fase ( condensación ).

Punto E: Se está en la zona de vapor pero a una temperatura mayor que la de saturación, por tanto se le denomina VAPOR SOBRECALENTADO.

Calor latente: Se da del punto B al D.

Calor sensible: Se da del punto A al B y del D al E.

En el diagrama se puede observar el PUNTO CRITICO, es el punto en el cual a dicha presión la sustancia se vuelve inestable y por lo general no se recomienda trabajar bajo estas condiciones.

Del diagrama se pueden obtener las siguientes conclusiones:

· A mayor presión del fluido, mayor será la temperatura a la que cambia fase ( temperatura de saturación ).

· A menor presión del fluido, menor será la temperatura a la que cambia fase ( temperatura de saturación ).

· La temperatura de condensación es la misma de evaporación a la presión dada.

· Si hay miles de presiones miles de temperaturas de cambio de fases existirán.

Ver video:

GENERALIDADES DEL DIAGRAMA TEMPERATURA VS ENTROPIA EN TERMODINAMICA

1.8.4. DIAGRAMA PRESION Vs ENTALPIA ESPECIFICA

La entalpía ( H ) es una medida de la cantidad de calor que tiene almacenada una sustancia de acuerdo a una temperatura y a una presión absoluta dada. Las unidades de entalpía es el BTU, pero generalmente se trabaja con el valor de la entalpía específica ( h ) cuyas unidades son BTU/Lbm.

h = H / m 1 BTU/Lbm = 1.8 Kcal/Kgm = 7,5348 KJ/Kgm

El diagrama Presión entalpía es similar al de temperatura entropía, tiene las mismas zonas de fases, las mismas líneas de saturación pero ahora se trabaja con las variable de presión y entalpía específica.

Las líneas de presión o ISOBARAS son ahora completamente horizontales y no hay forma de ubicar temperaturas por eso se recomienda el uso de ambos diagramas para una mejor ubicación de los procesos.

Con relación a las líneas ISOENTALPICAS o de entalpias específicas constantes, se construyen en forma vertical, tal como se muestra:

Con relación con las líneas o curvas de volumen específico constante, se tienen:

Con relación a las líneas de temperatura ISOTERMAS o ISOTERMICAS, tienen una construcción diferente al diagrama T Vs s, de la siguiente forma:

Con relación a las líneas de calidad ( X ) , estas solo están en la zona de mezcla del diagrama y determinan el porcentaje de vapor de la mezcla; se pueden expresar en porcentaje.

Ahora nos referimos a las líneas de Entropía Específica o de irreversibilidad en el diagrama:

Recordando que la temperatura de saturación es la temperatura a la que ocurre un cambio de estado dependiendo del valor de presión, en el diagrama ambas curvas se superponen en la zona de mezcla, tal como se muestra:

La temperatura de saturación o de cambio de estado es proporcional a la presión, o sea, a mayor presión, mayor temperatura de saturación y viceversa:

Los estados de las sustancias en el diagrama, dependiendo de su presión, temperatura y estado, se les asignan nombres, entre los cuales se tienen:

Para ubicar un punto en las zonas de líquido subenfriado o vapor sobrecalentado, solo se necesitan saber o conocer dos valores o parámetros, los más comunes son la presión y la temperatura:

Para ubicar un punto en las zonas de mezcla, se necesitan saber o conocer de un tercer valor o parámetro, el más común es la Calidad ( X ):

Tengamos en cuenta que:

· En los procesos de cambio de estado de liquido a vapor ( evaporación ) es donde las sustancias piden o requieren altas cantidades de energía calorífica.

· En los procesos de cambio de estado de vapor a líquido ( condensación ) es donde las sustancias pierden o retiran altas cantidades de energía calorífica.

NOTA: Cuando desee calcular los valores de v, u, s o h dentro de la zona de mezcla, aplique las siguientes ecuaciones:

u = u_f + ( X * u_fg )/100%

h = h_f + ( X * h_fg )/100%

s = s_f + ( X * s_fg )/100%

Donde X es la calidad en porcentaje.

Ver videos:

GENERALIDADES DEL DIAGRAMA DE MOLLIER PRESION VS ENTALPIA ESPECIFICA

INTRODUCCION A LOS DIAGRAMAS DE MOLLIER APLICADOS EN REFRIGERACION

1.8.5. EL CONCEPTO DE LA TEMPERATURA DE SATURACION

Es la temperatura a la cual, ocurre el cambio de estado a una presión establecida o dada; también se puede definir como la temperatura que divide a los dos estados a una presión dada. Primeramente, recordemos las zonas de un diagrama P vs h.

A continuación, se van a analizar varias situaciones donde se va a comenzar con una situación con un punto A donde se tiene un estado líquido a baja temperatura ( aproximadamente – 44 grados Celsius ):

Si a esta sustancia se le adiciona calor, el punto A se desplaza hacia la derecha hasta llegar al punto de líquido saturado ( punto B), donde está a punto de cambiar del estado líquido al estado vapor a mayor temperatura ( aproximadamente – 10 grados Celsius )

Si se sigue añadiendo calor, la sustancia cambia de estado a presión constante y a temperatura constante hasta llegar al estado valor en el punto D.

Estando la sustancia en estado vapor, si se sigue la adición de calor a presión constante, ésta incrementa su temperatura hasta llegar a un punto E a igual presión pero con mayor temperatura ( aproximadamente 60 grados Celsius ) , tal como se muestra:

Tenga en cuenta que tanto la línea de presión constate o Isóbara y la línea de temperatura constante o Isoterma, se superponen en la zona de mezcla o dentro de la campana del diagrama de Mollier.

Por otro lado, la temperatura de saturación o de cambio de estado posee una relación directa con la presión, o sea, a mayor presión, mayor será la temperatura de saturación o de cambio de estado y viceversa.

Con esta propiedad también se puede determinar la temperatura a la cual el refrigerante cambia de estado dependiendo de una presión dada; por ejemplo, si poseemos un tanque de refrigerante R-22 con una presión de 158 Psig, acudiendo a la tabla de presión-temperatura, su temperatura de saturación es de 30ºC.

Ahora, la temperatura de saturación, la de evaporación y la de condensación los las mismas, y su diferencia está en el sentido del proceso:

Ver video:

LA TEMPERATURA DE SATURACION EN LA REFRIGERACION

1.6. FUNDAMENTOS DE LA MECANICA DE FLUIDOS APLICADOS A REFRIGERACION Y CLIMATIZACION

La mecánica de fluidos es una de las ciencias cuyos fundamentos son principio de muchos procesos de la refrigeración, los cuales podemos comprender si comprendemos estos principios, ecuaciones y lees entre la cuales se tienen:

1.9.1. ECUACION DE CONTINUIDAD DE FLUJO

Analicemos cuando un fluido pasa por un conducto que cambia de sección o tamaño. El volumen que entra al tubo en la sección 1, es el mismo que sale por la sección 2

Si el volumen que entra al tubo en la sección 1, es el mismo que sale por la sección 2, entonces se cumple lo mismo para el caudal o flujo volumétrico ( Q ).

Realicemos el análisis de las velocidades del fluido en ambas secciones del tubo:

En conclusión, cuando el fluido pasa de un tubo con mayor sección o diámetro a uno de menor sección o menor diámetro, experimenta un aumento de su velocidad.

1.9.2. ECUACION DE BERNOULLY

Analicemos cuando un fluido pasa por un conducto que cambia de sección o tamaño, donde se establece que la energía de un fluido ideal que circula por un conducto se mantiene constante.

Energía Potencial + Energía Cinética + Energía del flujo = Constante

Ahora vamos a añadirle unas pérdidas, y por tanto la ecuación que de la siguiente forma:

( m g Z₁ ) + ( mV₁²/2 ) + ( P₁m/ρ )= ( m g Z2 ) + ( mV₂²/2 ) + ( P₂m/ρ ) + Pérdidas

Donde Z es la posición del fluido, m la masa del fluido, V la velocidad el fluido, g la gravedad, P la presión de fluido y ρ la densidad del fluido.

Despreciando el cambio de energía potencial y teniendo en cuenta que es el mismo fluido sin cambios de densidad se tiene que:

En conclusión:

• A mayor diferencia entre los diámetros de los tubos, mayor será la velocidad del fluido en el tubo de menor diámetro y viceversa.

( Diam1²/Diam2² )* Velocidad 1= Velocidad 2

• A mayor diferencia de velocidad entre los fluidos, mayor será la diferencia de presión entre los mismos.

( P₁ – P₂)/ρg = ( V₂²- V₁²)/2g + Pérdidas

• Por tanto, a mayor diferencia entre los diámetros de los tubos, mayor será el diferencial de presión entre ambas secciones.

Estas ecuaciones se aplican no solo para el diseño de tuberías sino para el diseño de elementos de expansión como capilares y orificios:

Ver video:

LA ECUACION DE CONTINUIDAD DE FLUJOS Y BERNOULLY EN EL PRINCIPIO OPERACION DE ORIFICIOS Y CAPILARES

FIN

1 Bar = 10⁵ Pa	1 Kgf / Mts² = 9.8 Pa	1 Lb/in² ( PSI ) = 6895 Pa
1 PSI = 6895*10^-5 Bar	14,22 PSI = 1 Kgf/cms²

1 atmósfera	760 mm Hg	14.7 Psi
101325 Pa	1,033 Kgf/cms²	101325*10 ^-5 Bar = 1,01325 Bar

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domingo, 14 de enero de 2024

MODULO FUNDAMENTOS DE REFRIGERACION

1.6.1. DENSIDAD ( r )

1.6.4. PESO ESPECIFICO ( g )

Es la presión que se muestra teniendo en cuenta la presión atmosférica y la manométrica, también se puede interpretar como la presión medida partiendo del vacío absoluto. PRESION ABSOLUTA = PRESION ATMOSFERICA + PRESION MANOMETRICA

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Es la presión que se muestra teniendo en cuenta la presión atmosférica y la manométrica, también se puede interpretar como la presión medida partiendo del vacío absoluto.

PRESION ABSOLUTA = PRESION ATMOSFERICA + PRESION MANOMETRICA