Sistema de refrigeración
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  • 1. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 1 I. INTRODUCCIÓN El mundo de las ciencias es un mundo muy amplio, su estudio se abarca de diferentes maneras. Entre las muchas ciencias tenemos las ciencias naturales, que está compuesta principal y básicamente por la Biología y la Física. En esta ultima la que trataremos en el presente trabajo, enfocando específicamente los conceptos termodinámicos que presenta su estudio. Como ya es sabido, la termodinámica es una rama de la física que hoy en día se usan sus aplicaciones, como la calefacción y la refrigeración entre otras. Debido a su gran importancia y su desarrollo tecnológico presentaremos en el presente trabajo una aplicación básica de estos sistemas termodinámicos, resaltando de esta manera su aporte benéfico a la humanidad y desarrollo industrial.
  • 2. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 2 II. OBJETIVOS Reconocer como funciona un Sistema de Refrigeración. Conocer cómo trabaja una bomba de calor. III. MARCO TEÓRICO CONCEPTO Y NECESIDADES DE LA REFRIGERACIÓN Se entiende por refrigeración, la cesión de calor desde un elemento, a otro cuya temperatura es inferior a la de aquel. En los motores térmicos empleados en Automoción, la refrigeración se justifica, por la necesidad de evacuar el calor sobrante, generado en las combustiones, que no se destina a producir trabajo en la carrera motriz, así como el calor generado por el rozamiento entre los elementos móviles. De no evacuarse dicho calor, la temperatura de los mismos se elevaría peligrosamente, provocando una dilatación excesiva, que podría originar el agarrotamiento por fusión, mas conocido como gripaje. A su vez lo que también se busca es mantener la temperatura del motor dentro de unos márgenes, en los que el rendimiento es máximo, y no correr el riesgo de deteriorar las partes móviles del mismo. CLASIFICACIÓN Un motor puede ser refrigerado de tres formas; por agua, por aire o una mezcla de ambas. Cabe señalar que el aceite lubricante también refrigera en cierto modo pero no nos detendremos a analizar dicha función del aceite.
  • 3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 3  REFRIGERACIÓN POR AGUA Se disponen una serie de conductos, de líquido refrigerante alrededor de los elementos a refrigerar, para que estos cedan el calor al líquido refrigerante, y este a su vez lo ceda a la atmósfera en un radiador o disipador. Permite al motor trabajar en un margen de temperatura muy estrecho lo que favorece un mejor rendimiento y mayor vida útil. Excelente aislamiento acústico, motivado por la presencia de las cámaras de agua. Desventajas: Precisa de un cierto mantenimiento y ciertas pérdidas de potencia por el accionamiento de la bomba de agua.  REFRIGERACIÓN POR AIRE Consiste en evacuar el exceso de calor directamente a la atmósfera, a través del aire que estáen contacto con el motor. Se disponen a su alrededor una serie de aletas que incrementanla superficie de contacto con el aire, para así aumentar la disipación de calor.
  • 4. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 4 Directa  Es la propia marcha del vehículo la que genera la corriente de aire.  Problemas en circulación lenta con tiempo caluroso, y de excesivo periodo de calentamiento en tiempo frío, por lo que, en general, hace que el motor funcione más tiempo del deseado fuera de su temperatura de trabajo.  Se emplea en ciclomotores básicos o motocicletas de estética clásica (custom, naked).  Forzada  La corriente de aire que circula a través de las aletas, es impulsada por un ventilador, asegurándose la presencia de la misma, e independizando la refrigeración, de las condiciones de marcha del vehículo.  Este sistema apenas es utilizado en algún automóvil. Algunos motores industriales utilizan este tipo de refrigeración, pues en ellos ha de primar la fiabilidad por encima del rendimiento. Ventajas: Estriba en su sencillez, incluso, dentro de unos márgenes, en su fiabilidad. Desventajas: Ruidosos y altas emisiones contaminantes.
  • 5. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 5  REFRIGERACIÓN MIXTA Aire-agua.  Consiste en refrigerar por aire el cilindro directamente, sin circulación forzada del mismo, y la culata por líquido, generalmente por termosifón, y dotando también a la misma de aletas disipadoras de calor.  Se empleaba en algún modelo de motocicleta ligera cuyo uso estaba próximo a la competición. Aire-aceite.  Esta dotados de aletas disipadoras y además se potencia la función refrigerante del circuito de lubricación, aumentando notablemente su caudal, así como el tamaño del radiador.  Sistema que ha caído en desuso, por no ofrecer la misma eficacia que la refrigeración líquida. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
  • 6. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 6  Líquido refrigerante Capacidad anticorrosiva y antiespumante. o Para evitar la formación de óxidos y sales calcáreas, que provocan disminución de las otras cualidades que ha de poseer, contribuyendo a formar depósitos de lodo, que disminuyen la sección del circuito, pudiendo llegar a provocar graves obstrucciones, que originarían un rápido sobrecalentamiento del motor. Capacidad anticongelante. o Ha de evitar la congelación del líquido que conlleva un aumento de volumen que puede llegar a ocasionar fisuras en el radiadoro, peor aún, en el bloque. Capacidad antiebullición. o Se ha de evitar por tanto, que el líquido refrigerante entre en ebullición, pues la consiguiente formación de burbujas trae consigo un aumento de la presión, que puede originar la rotura de los elementos más frágiles del circuito. Asimismo puede dar lugar al fenómeno de la cavitación. o La eficacia de dichas capacidades, depende del grado de concentración del refrigerante.  Capacidad anticongelante, alcohol denominado etilenglicol (90%).  Como inhibidor de la corrosión se emplea el bórax, presente en torno a un 3%, añadiéndose antiespumante y colorante en proporciones variables.  Todo ello mezclado agua destilada en proporciones diversas, en función del grado de concentración.
  • 7. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 7  Radiador Es un tipo de intercambiador de calor, diseñado para transferir energía del refrigerante caliente que circula por él al aire forzado externamente por un ventilador. En los automóviles actuales se construye con tubos planos paralelos y tiras de aluminio. Por los primeros circula el refrigerante; éste entrega el calor a los segundos, los cuales a su vez lo transfieren al aire que circula por el radiador. Internamente los tubos suelen contar con aletas que generan turbulencias para hacer más eficiente la transferencia de calor del refrigerante. Los radiadores suelen contar con un tanque a cada lado y dentro del mismo un enfriador del fluido de transmisión. REFRIGERACIÓN DEL RADIADOR POR MERDIO DE AIRE TIPOS DE RADIADOR
  • 8. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 8  Bomba Es la encargada de impulsar el líquido refrigerante a lo largo del circuito. Se utilizan las de funcionamiento centrífugobasadas en un rotor con paletas accionado por el cigüeñal a través de la correa de accesorios o la correa de la distribución. FUTURO: bombas eléctrico para así poder ser gobernadas por la centralita de gestión del motor, adecuando su velocidad y por tanto su caudal a la condiciones de marcha del vehículo. Es del tipo centrífuga accionada por una polea del cigüeñal. El líquido es impulsado primero al bloque y tapa de cilindros, pasando por el radiador y volviendo finalmente a la bomba.  Termostato. Su misión es acelerar el proceso de calentamiento del motor, impidiendo la circulación del líquido refrigerante hacia el radiador. Una vez que este ha alcanzado su temperatura de funcionamiento, el termostato de aire se abre, dejando que el líquido llegue al radiador para su enfriamiento. Se dispone en la salida de líquido del motor hacia el radiador, para así controlar el paso del mismo. Está formado por una válvula, accionada por una cápsula rellena de un material muy sensible a la temperatura, el cual al dilatarse o contraerse, en función de la temperatura del refrigerante, abre o cierra la citada válvula.
  • 9. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 9  Vaso de expansión La misión del vaso de expansión es absorber los incrementos de volumen del líquido refrigerante, alojando el exceso de líquido, cuando la temperatura del mismo sea muy alta, y devolviéndolo al circuito cuando éste se enfríe. En la actualidad, por el vaso de expansión se hace pasar una parte del líquido refrigerante, utilizándose como desgasificador y, en muchos casos, como recipiente de llenado, al ubicarse el tapón de llenado en el mismo.  Ventilador. Encargado de generar la corriente de aire que permita la cesión de calor por cualquiera de los métodos existentes. De accionamiento directo. El ventilador dispone de una polea, en la que se ubica una correa que le transmite el movimiento desde el cigüeñal. Poco utilizado hoy en día, ya que el ventilador gira siempre que el motor está en marcha, absorbiendo potencia del motor constantemente. De accionamiento eléctrico. Más conocido como electroventilador, el ventilador es accionado por un motor eléctrico de corriente continua, que utiliza la energía procedente de la batería. Su accionamiento está gobernado por el termocontacto el cual lo accionacuandose alcanza una temperatura determinada. En la actualidad, se tiende a montar dos electroventiladores de accionamiento diferenciado, conectándose primero uno de ellos, y, de seguir ascendiendo la temperatura, entra a continuación en funcionamiento el segundo. De accionamiento viscoso. El ventilador posee un accionamiento similar al directo, mediante correa, pero con la particularidad de intercalar un embrague viscoso, a base de siliconas. Su funcionamiento está basado en la sensibilidad de la silicona a la temperatura, la cual tiende a solidificarse y actuar como transmisor de movimiento, cuando ésta aumenta. Este sistema ofrece pérdidas de potencia generadas por el arrastre del ventilador.
  • 10. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 10  Termocontacto. Es un interruptor eléctrico, accionadoen función de la temperatura del líquido refrigerante, con el que está en contacto, el cual gobierna el accionamiento del electroventilador. Se utiliza un material muy sensible a la temperatura, generalmente una láminabimetálica, la cual, al dilatar por efecto de la misma, cierra el citado interruptor, juntando los contactos del mismo.  Manguitos y purgadores Los manguitos son los conductos exteriores, a través de los cuales el líquido se desplaza de un elemento a otro. Se construyen generalmente a base de caucho (elasticidad), interiorconstituidas por un trenzado a base de nylon (robustez). Otros casos la mayor parte del manguito es rígida, construyéndose a base de PVC o aluminio, siendo flexible en los extremos, para los cuales se vuelve a recurrir al caucho. Los purgadores, se disponen para evacuar el posible aire existente en el circuito.  Termosumergidos Montaje de unas resistencias eléctricas, dispuestas en el interior del circuito de refrigeración, las cuales, aceleran el calentamiento del líquido refrigerante para conseguir la temperatura óptima defuncionamiento más rápidamente. Dichas resistencias reciben el nombre de termosumergidos y son alimentadas por la centralita de gestión del motor en función, sobre todo, de la temperatura del refrigerante. Refrigeración del Cilindro Refrigeración de las válvulas: Las válvulas se refrigeran fundamentalmente por el contacto entre el plato y el asiento sobre la culata, el cual, a su vez, se refrigera a través del agua del sistema de refrigeración. Como las válvulas de escape funcionan hasta 700º, se precisa un gran flujo de agua por el interior de la camisa alrededor de las válvulas para evitar la formación de bolsas de vapor y de puntos calientes.  Camisas Seca: El refrigerante circula por las cavidades maquinadas en el bloque, no tiene contacto directo con el cilindro  Camisas Húmedas: el cilindro literalmente está flotando en el refrigerante.
  • 11. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 11 IV. EQUIPOS Y MATERIALES Sistema de Refrigeración y calentamiento. V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL  Ubicar e Identificar los componentes del Sistema de Refrigeración  Encender el sistema y esperara a que regularice  Tomar los datos necesarios.
  • 12. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 12 Compreso r Evaporad or Expansor Condensador T ' 1 ' 3 ' 4 ' 2 2 ' S ' VI. CÁLCULOS EXPERIMENTALES Sea el siguiente esquema Punto 1: SALIDA DEL EVAPORADOR Se tomaron los siguientes datos (lectura del manómetro) en este punto Con ellos vamos a las tablas de propiedades termodinámicas y calculamos la entalpia: Punto 2: ENTRADA DEL CONDENSADOR Se tomaron los siguientes datos (lectura del manómetro) en este punto Con ellos vamos a las tablas de propiedades termodinámicas y calculamos la entalpia: Punto 3: SALIDA DEL CONDENSADOR Se tomaron los siguientes datos (lectura del manómetro) en este punto Con ellos vamos a las tablas de propiedades termodinámicas y calculamos la entalpia:
  • 13. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 13 De la gráfica se deduce: Con ello calculamos el COP: VII. CONCLUSIONES Se logró identificar y analizar los diversos componentes del Sistema de Refrigeración, de igual manera pudimos reflejarlo en sus diferentes aplicaciones. Se determinó el COP llegando a un valor aceptable. VIII. RECOMENDACIONES  Llevar a cabo la experiencia en un ambiente caluroso para optimizar la eficiencia del sistema.  Visualizar los datos de manera correcta para evitar errores. IX. BIBLIOGRAFÍA Neyra castillo percy, sistemas de refrigeracion o. levenspiel, flujo de fluidos e intercambiador de calor http://es.scribd.com/doc/7329846/Sistema-de-Refrigeracion http://www.servinel.es/uploads/noticias/09102005refrig-p.pdf
  • 14. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 14 ANEXOS REFRIGERANTE Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo compresión-vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cuál alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente.
  • 15. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 15 R-134a El R-134a (HFC-134a) ha sido desarrollado para convertirse en uno del sustituto clave de los refrigerantes CFC y HCFC. El R-134a es un sustituto a largo plazo, seguro para el medio ambiente e inocuo para la capa de ozono. Como refrigerante, tiene similares características de rendimiento energético y capacidad que el R-12, y su toxicidad es intrínsecamente baja. El R-134a es el refrigerante alternativo preferido para el aire acondicionado de automóviles. Se puede utilizar en refrigeración doméstica y comercial así como en aire acondicionado comercial e industrial. Aplicaciones  Refrigeración y aire acondicionado  En el sector de la automoción, los fabricantes están utilizando actualmente el refrigerante R-134a en los sistemas de aire acondicionado de sus vehículos. Además, se están desarrollando kits de reconversión para adaptar los sistemas existentes de aire acondicionado de automóviles de CFC-12 a R-134a.  El 134a ha sido desarrollado para numerosas aplicaciones de refrigeración, entre las que están incluidos las vitrinas de supermercado, las salas refrigeradas y los frigoríficos domésticos. También se está utilizando el R-134a en algunos enfriadores centrífugos.  El R-134a es adecuado tanto para equipos nuevos como para reconvertir sistemas de refrigeración comercial de R-12 existentes. Generalmente, serán necesarios pocos cambios de diseño de los equipos para sacar el máximo provecho de las prestaciones del R-134a en esas aplicaciones. Para llevar a cabo la reconversión de sistemas de refrigeración comerciales, consulte las directrices de reconversión al refrigerante 134a. Lubricantes El R-134a se está utilizando con lubricantes de polialquilenglicol (PAG) y con lubricantes de poliolester. La mayoría de fabricantes de equipos originales de automoción han optado por lubricantes PAG, específicos para sus sistemas. Para las aplicaciones ajenas al sector de la automoción, la mayoría de fabricantes de compresores están recomendando lubricantes de poliolester específicos. Los usuarios deben consultar al fabricante del equipo los lubricantes recomendados para su sistema. Características del R-134A:  Pertenece al grupo de los HFC, al no tener cloro no son miscibles con los aceites minerales, sólo se emplea aceite base ESTER.  Evapora a –26ºC a presión atmosférica y es el sustituto definitivo para el R-12.  Los HFC son muy higroscópicos y absorben gran cantidad de humedad.  De los HFC el 134a es el único definitivo los demás se emplean para mezclas (R-125, R- 143a, R-152a).  Se detectan las fugas mediante busca fugas electrónicos o con otros medios como colorantes o el jabón de "toda la vida".
  • 16. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 16 R-22 El R-22es un refrigerante HCFC que funciona a alta presión pero con un mínimo desplazamiento del compresor. El R-22 se utiliza especialmente en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales y también es empleado como medio para producir fluoropolímeros y como agente soplante en aplicaciones de espuma rígida. Tal y como contemplan los convenios internacionales sobre gestión de productos químicos dañinos para el ozono, el uso del R-22 se está eliminando progresivamente en todo el mundo. Para el año 2010, la mayoría de los países dejará de autorizar la producción del R-22 para su uso en nuevos equipos de aire acondicionado. Además, la disponibilidad del refrigerante para aquellos sistemas que sigan utilizándolo se irá reduciendo hasta que desaparezca cuando se agoten las provisiones. El R-410A ocupará el lugar del R-22 en la mayoría de los sistemas nuevos de aire acondicionado y en menor medida, también se utilizará el R-407C. Características del R-22: o Este refrigerante es del grupo de los HCFC, inicialmente estaba diseñado para aire acondicionado pero hasta hace poco se emplea para todo. o Evapora a –40,8ºC a presión atmosférica, es miscible con el aceite mineral y sintético pero en bajas temperaturas es recomendable utilizar separador de aceite. o Acepta poco recalentamiento ya que de lo contrario aumentaría demasiado la temperatura de descarga. o Absorbe 8 veces más humedad que el R-12. o Actualmente se prohíbe su empleo en equipos e instalaciones nuevas excepto para equipos de aire acondicionado inferior a 100kw. o Las fugas también se pueden detectar con lámpara.
  • 17. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 17 ¿Qué refrigerantes son los más utilizados en equipos de aire acondicionado? Los más utilizados son el R22, R-134a, R407C y el R410A.  El R22 es el refrigerante más utilizado actualmente en el sector del aire acondicionado, tanto para instalaciones de tipo industrial como domésticas.  El R134a se utiliza normalmente en grandes equipos de enfriamiento de aire.  El R407C se utiliza normalmente en enfriadoras de agua de mediana y pequeña potencia además de equipos splits (partidos).  El R410A se utiliza actualmente en equipos splits (partidos). ¿Qué tipos de gases refrigerantes dañan la capa de ozono?  Los CFCs (Clorofluorocarburos) y los HCFCs (Hidroclorofluorocarburos) son los únicos refrigerantes que dañan la capa de ozono.  Los CFCs son los que tienen mayor poder de destrucción de la capa de ozono.  Los HCFCs afectan en menor medida que los anteriores a la capa de ozono (R22).  Los HFCs no afectan a la capa de ozono (R410A, R407C, R134a, etc). ¿El R22 daña la capa de ozono? Al pertenecer a la familia de los HCFCs es un refrigerante nocivo para la capa de ozono. Su utilización ya está regulada según un calendario que podemos ver más adelante. ¿Cuáles son los sustitutos del R22? Los sustitutos del R22 deberán cumplir ciertas características: – No dañar la capa de ozono. – Tener un bajo efecto invernadero. – No deberán ser tóxicos, ni inflamables. – Deberán ser estables en las condiciones normales. – Deberán ser eficientes energéticamente (buen COP) – Los candidatos más importantes son: el R410A, R407C y R134a.
  • 18. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I UNAC-FIQ Página 18 ¿Existe alguna ley que regule la utilización de estos gases? El reglamento (CE) Nº 2037/2000 regula la utilización del R22. El calendario establecido para el fin de su utilización es el siguiente:  1 de enero de 2001: Prohibición de utilizar HCFCs como refrigerantes en la fabricación de cualquier equipo de aire acondicionado y refrigeración producido después del 31 de diciembre de 2000, con excepción de equipos Solo Frío de una capacidad inferior a 100kW y equipos Bomba de Calor.  1 de julio de 2002: Prohibida la utilización de HCFCs como refrigerantes en la fabricación de cualquier equipo de aire acondicionado Solo Frío exceptoequipos Bomba de Calor.  1 de enero de 2004: Prohibición de fabricar todo tipo de equipos con HCFCs.  1 de enero de 2010: Prohibido utilizar los HCFCs "nuevos", tanto para mantenimiento como recarga de equipos de refrigeración y aire acondicionado existentes en aquella fecha. ¿Qué características principales tienen estos sustitutos del R22? R134a  Presión más baja.  Densidad de vapor más baja.  Menor capacidad para mismo desplazamiento de compresor.  Transferencia de calor inferior.  Eficiencia isoentrópica del compresor inferior.  Fluido puro. R407C  Presión igual.  Igual densidad de vapor.  Igual capacidad para mismo desplazamiento de compresor.  Igual transferencia de calor.  Igual eficiencia isoentrópica del compresor.  Comportamiento zeotropico (fluido no puro, mezcla). R410A  Mayor presión.  Mayor densidad de vapor.  Mayor capacidad para mismo desplazamiento de compresor.  Transferencia de calor y Delta P superiores.  Eficiencia isoentrópica del compresor mejorada.  Mezcla con comportamiento de fluido puro.  El R410A es el refrigerante más recomendado para instalaciones de tipo doméstico.