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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD
Nombre escuela: ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGICAS E
INGENIERIAS
Nombre programa: INGENIERIA DE ALIMENTOS
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS INGENIERIA Y TECNOLOGIA
PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS
UNIDAD 1
201062 REFRIGERACION APLICADA A LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS
JAIME ERNESTO NARVAEZ VITERI
(Director Nacional)
LUCAS QUINTANA
(Acreditador)
SAN JUAN DE PASTO
Diciembre de 2013
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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El mdulo de Refrigeracin Aplicada en la Industria de Alimentos
fue
diseado en el ao 1995 por el Ingeniero de Alimentos, Doctor
Jaime Alberto Leal
Afanador y editado por la Editorial Unisur Bogot.
Las actualizaciones del material fueron llevadas a cabo en el ao
2005 por
el Ingeniero Salomn Gmez Castelblanco y a partir de Julio del
2009 hasta
Diciembre de 2013 en forma sucesiva por el ingeniero Jaime
Ernesto Narvez
Viteri, Especialista en Ecologa y Gestin Ambiental y
Especialista en Docencia
Universitaria.
Este modulo es acreditado por el Ingeniero Lucas Quintana
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INTRODUCCIN
El curso de refrigeracin aplicada en la industria de alimentos
es un curso
electivo para los programas de ingeniera de alimentos y la
especializacin en
procesos en alimentos y biomateriales que fundamenta el
procedimiento
tecnolgico de enfriamiento y congelacin de los alimentos para su
manejo,
adecuacin y conservacin a largo plazo. Se desarrollan los
conceptos con un
fundamento fsico sobre la termodinmica de refrigeracin y las
transformaciones
implicadas. Se presentan los mtodos de produccin de fro con una
visin
cientfica-tecnolgica, describiendo los equipos principales en
las instalaciones
frigorficas. Se tratan las caractersticas de los fluidos
frigorficos, y la problemtica
con respecto al medio ambiente. Interesan las aplicaciones de la
tecnologa del
fro y de sus mtodos a la industria alimentaria.
En este curso el estudiante tendr la oportunidad de integrar y
aplicar muchos de
los conocimientos adquiridos en otros cursos anteriores
especialmente de:
qumica, matemticas, principios de transferencia y calor, balance
de materia y
energa algunos aspectos de ndole econmicos y de calidad lo cual
le permitir
encontrar la utilidad de los conocimientos aprendidos en
anteriores semestres y lo
motivar acceder a los nuevos conocimientos con mayor inters,
logrando un
aprendizaje significativo y permanente.
Para que el estudiante pueda abordar el estudio del curso, se
propondrn
diferentes actividades de aprendizaje que involucren las fases
de reconocimiento,
(conocimientos y experiencias previas), profundizacin ( manejo
de
conceptos y teoras) y transferencia (aplicacin del conocimiento
en un contexto),
para lo cual contarn con el recurso didctico y tecnolgico con el
fin de fortalecer
su auto aprendizaje y adquirir las competencias cognitivas, meta
cognitivas y
contextuales a travs del estudio del curso acorde con las
intencionalidades y
metas del curso.
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La primera unidad didctica pretende que el estudiante reconozca
los conceptos
termodinmicos bsicos que explican el fro y la generacin de fro
en procesos de
refrigeracin, congelacin y generacin de efectos combinados con
atmsferas
modificadas y controladas.
El modulo orienta aspectos prcticos que se deben tener en cuenta
durante el
diseo, construccin, seleccin de espacios de almacenamiento que
utilicen bajas
temperaturas.
La estrategia principal es darle a los estudiantes las
herramientas fundamentales,
para que en la medida que desarrolle todas las actividades
propuestas en la gua
didctica que acompaa este curso, logre comprender, asimilar,
aplicar y
transferir el conocimiento en el anlisis de casos reales que se
presentan en la
industria de alimentos, en lo relacionado con los procesos de
refrigeracin, a los
cuales ms adelante como Tecnlogo e Ingeniero de alimentos tendr
que
afrontar como una de sus responsabilidades ms importantes en su
profesin,
como es la obtencin de alimentos inocuos y seguros para el
consumidor. En
resumen se pretende que el estudiante adems de aprender los
principios y las
normas relacionadas con la refrigeracin de los alimentos, tome
conciencia de su
importancia y la apliquen desde un sentido de honestidad, tica y
responsabilidad,
en todo el trayecto de su vida personal y profesional.
Para el desarrollo de este material se tom como insumo el mdulo
de
Refrigeracin Aplicada en la Industria de Alimentos, elaborado en
1995, por el
Ingeniero de Alimentos Jaime Alberto Leal Afanador. Sobre este
material se
realiz un proceso de revisin, ajuste y complementacin de las
temticas tratadas
para cumplir con los objetivos inicialmente planteados, y
proporcionar los
fundamentos de la temtica, obtenindose un nuevo material segn
los
lineamientos acadmicos de la UNAD.
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INDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCIN
UNIDAD 1 GENERACION DE FRIO
OBJETIVOS
AUTOEVALUACION INICIAL
CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Leccin 1: Estados de la materia
Leccin 2: Termodinmica, Segunda Ley.
Leccin 3: Ciclos de refrigeracin
Leccin 4: Ciclo Simple de refrigeracin
Leccin 5: Ciclo de refrigeracin en dos etapas con recirculacin
de lquido.
CAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA CONGELACION
Leccin 1: Generalidades. Refrigeracin mecnica
Leccin 2: Coeficientes de funcionamiento
Leccin 3: Refrigerantes
Leccin 4: Congelacin
Leccin 5: Atmsferas Controladas y modificadas.
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CAPITULO 3. FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO DE UN
CUARTO DE REFRIGERACION
Leccin 1: Cagas de enfriamiento
Leccin 2: Clculo de cargas de enfriamiento
Leccin 3: Condiciones para el manejo del equipo
Leccin 4: Diseo de accesorios
Leccin 5: Condiciones de equipamento
EVALUACION DE LA UNIDAD 1
BIBLIOGRAFIA
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LISTADO DE TABLAS
1. Calores especficos de algunos alimentos
2. Factores de conductividad trmica de algunos materiales
comunes
3. Clasificacin de los Refrigerantes
4. Efectos fisiolgicos de los Refrigerantes
5. Anlisis comparativo de factores variables segn uso de la
congelacin
ultrarrpida o de la congelacin lenta.
6. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos de
almacenamiento
refrigerado.
7. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos
fros.
8. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos de
almacenamiento
9. Conductividad trmica de materiales usados en paredes de
cuartos de
refrigeracin.
10. Calor equivalente de motores elctricos
11. Equivalentes de calor por persona dentro del espacio
refrigerado.
12. Dficit DPVA, a HR inferiores al 100%
13. Prdida media de peso en la aparicin de sntomas de
arrugamiento de
frutas y hortalizas ( % )
14. Efectos de la temperatura sobre la intensidad de respiracin
y de deterioro
de la calidad en el perodo de conservacin.
15. Respiracin y produccin de etileno en frutas
16. Clasificacin de productos hortofrutcolas segn su produccin
de etileno
17. Efectos de la temperatura sobre la conservacin de
hortalizas
18. Sntomas de la alteracin por fro (Chilling injury) en algunas
frutas y
hortalizas.
19. Las tcnicas de enfriamiento de productos vegetales
20. Relacin entre el sistema de acondicionamiento en el envase y
el embalaje
y el tiempo de semienfriamiento.
21. Prdidas de enfriamiento y prdidas de peso en el tnel de
aire
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22. Datos trmicos de la aplicacin del hydrocooling a los
productos
hortofrutcolas.
23. Datos trmicos de la aplicacin del vacuum cooling a
hortaliza
24. Pre-refrigeracin de productos vegetales 1
25. Adaptacin de los productos vegetales a la pre-refrigeracin
2
26. Recomendaciones generales para la pre-refrigeracin 3
27. Tratamientos para permitir la importacin de carne de cerdo
de pases
donde existe riesgo detriquinosis Francia e Italia.
28. Prdidas de masa por evaporacin durante la congelacin
29. Prdidas de masa durante el embalaje
30. Prdidas de masa segn Kallert Freischmann
31. Prdidas a la congelacin
32. Prdidas durante el almacenamiento
33. Prdidas de masa media durante la coccin despus de un
almacenamiento de 12 meses, estimados en % en peso.
34. Vitaminas del complejo B que pasan al exudado en el momento
de
descongelar carne de res.
35. Concentracin en vitaminas en la carne y en el jugo de
coccin
36. Temperaturas y Humedales recomendadas para la proteccin de
una
seleccin de carnes frescas, curadas y procesadas.
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LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS
1. Presin vs Entalpa
2. Ciclo Simple de Refrigeracin mecnica
3. Diagrama Presin del Refrigerante vs Nivel de Energa
Entalpa
4. Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin de
lquido
5. Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin de
lquido
6. Diagrama presin de amoniaco
7. Diagrama Presin vs Amoniaco
8. Sistema de Refrigeracin
9. Esquema Ciclo de Refrigeracin
10. Esquema General Mquina Frigorfica
11. Esquema de una Bomba de calor
12. Congelacin del Agua Pura
13. Congelacin de una muestra de carne
14. Aspecto General de una congelacin en el aire (Tnel)
15. Crecimiento de los cristales de hielo en la congelacin de un
msculo
16. Influencia de la velocidad de congelacin respecto al tamao y
localizacin
de los cristales en msculo congelado.
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17. Proporcin del contenido de agua en alimentos segn su
temperatura
18. Congelacin de aire por cmara
19. Congelador de cinta transportadora
20. Congelador de placas
21. Esquema de funcionamiento de una instalacin criognica con
nitrgeno
lquido
22. Congelador con nitrgeno lquido
23. Congelador de hidrocarburo halogenado lquido
24. Tnel de congelacin con CO2
25. Influencia del tipo de congelacin sobre la velocidad de
congelacin
26. Calibradores de presin en cmaras de atmsferas controlada
27. Curvas de los ensayos presin vs depresin
28. Transferencia de calor a travs de paredes.
29. Representacin esquemtica funciones en una pera
30. Cambios internos de las frutas durante el proceso de
traspiracin
31. Ejemplos de patrn respiratorio de las frutas
32. Representacin esquemtica de los efectos de los rangos de
temperatura
sobre los productos hortifrutcolas
33. Determinacin de la actividad respiratoria
34. Efectos del Etileno durante la maduracin
35. Variacin del tiempo de conservacin a distintas temperaturas
de vegetales
no sensibles.
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36. Mltiplos de enfriamiento requeridos para disipar varias
fracciones de calor
de campo inicial desde el producto.
37. Tnel discontinuo de tres celdas
38. Unidad porttil de enfriamiento en cmara frigorfica por aire
forzado en
depresin.
39. Unidad permanente de tnel de aire forzado en depresin, en el
interior de
una cmara frigorfica.
40. Sistema de enfriamiento por flujo horizontal de aire
41. Instalacin de hidrocooling con prerefrigerador continuo.
42. Esquema de tipo inundado de Hidrocooler
43. Tiempo de semienfriamiento de meln en funcin del calor de
agua
44. Comportamiento de hortalizas en el vacuum-cooling
45. Ejemplo prctico de enfriamiento bajo vacio
46. Efecto de la velocidad de evacuacin para alcanzar el
flashpoint
47. Prdida de peso en relacin con el descenso de temperatura, en
el
enfriamiento bajo vacio
48. Perspectivas de un Box-Icer
49. Perspectivas de un Pallet Icer
50. Sistema de enfriamiento por agua enfriada pulverizada
51. Sistema de obtencin de aire fro de elevada humedad
52. Influencia de la congelacin y del almacenamiento sobre una
poblacin
microbiana.
53. Prdidas de masa para diferentes temperaturas de
almacenamiento.
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UNIDAD 1
Nombre de la Unidad GENERACION DE FRIO
Introduccin En la industria de alimentos existe la necesidad
de
adquirir y conocer los diversos procesos de
refrigeracin que se manejan a nivel industrial y a nivel
comercial por lo tanto estas tcnicas mantienen
inalterables las caractersticas fsicas, qumicas,
microbiolgicas y organolpticas de los productos
alimenticios, por largos perodos de tiempo.
En la vida profesional se encontraran con el reto de
asumir este tipo de conocimiento, en refrigeracin,
para poderlo enfrentar necesitamos una serie de
conocimientos y herramientas que son presentados en
forma sencilla para que sean apropiados con facilidad.
En el primer captulo tenemos una recapitulacin de
los conceptos bsicos, se define lo que es un
refrigerante, se fundamenta los conceptos de
congelacin y sus tcnicas y tambin sus mecanismos
de control.
En el segundo captulo encontramos la aplicacin de
las bajas temperaturas en los diversos productos
alimenticios ya sean de origen animal o vegetal
teniendo como base el efecto del fro, sus alteraciones
fisiolgicas y su microbiologa aplicada a los diversos
alimentos.
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El tercer captulo se fundamenta al estudiante en los
clculos de un cuarto fro, utilizando diversos criterios
de diseo e identificando condiciones internas y
externas tanto del producto como del entorno
ambiental.
Justificacin El avance de la globalizacin del mercado y la
comercializacin de alimentos congelados exige
competitividad para comercializar productos
agroalimentarios que cumplan con la exigencia de los
clientes: la calidad alimentaria: es por esto que el
ingeniero de alimentos egresado de la UNAD necesita
saber, conocer y aplicar cada una de las estrategias de
aplicacin de los diferentes sistemas de refrigeracin para
entrar a competir da a da en los mercados estratgicos.
Intencionalidades
Formativas
PROPSITO
Lograr que el estudiante conceptualice, se apropie y
aplique los conocimientos y transfiera a su contexto, las
implicaciones, requisitos, planeacin, puesta en marcha,
validacin y verificacin de los diferentes sistemas de
refrigeracin con un enfoque positivo hacia la adecuada
congelacin y hacia la calidad de un producto alimenticio
desde el punto de vista de su conservacin como
producto inocuo (sano y seguro para la salud del
consumidor) y de sus caractersticas tcnicas y
organolpticas.
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Motivar al estudiante para que emprenda el estudio del
curso conociendo los beneficios, desde el punto de vista
temtico y como herramienta til para aplicar esos
conocimientos en contextos reales, a los cuales tendr
que enfrentarse ms adelante como profesional..
Contribuir a la formacin integral, mediante la aplicacin
de estrategias de aprendizaje que conllevan al desarrollo
de competencias cognitivas, metacognitivas, socio-
comunicativas y recontextuales.
OBJETIVOS GENERAL.
Reconocer los conceptos bsicos fundamentales sobre
refrigeracin especialmente conceptos termodinmicos
que sustentan el empleo del fro en la industria de
alimentos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Describir los principales controles de flujo en un
sistema de refrigeracin.
2. Identificar las principales caractersticas y efectos de
la
congelacin especialmente en productos de origen
animal.
3. Enumerar los efectos y el comportamiento de los
productos vegetales al ser tratados por las tcnicas de
refrigeracin y congelacin.
COMPETENCIAS
1. El estudiante adquiere una actitud de compromiso y
responsabilidad en su futuro profesional como Ingeniero
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de Alimentos.
2. El estudiante es capaz de iniciar el proceso de montaje
y puesta en marcha de procesos de refrigeracin.
3. El estudiante puede asesorar el proceso de instalacin
de cuartos fros y de sistemas de congelacin.
Denominacin de los
captulos
1.1 CONCEPTOS BASICOS
1.2 FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA
CONGELACIN.
1.3 FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO
DE UN CUARTO DE REFRIGERACION.
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CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Introduccin
En este captulo se tratarn temas muy importantes como: Los
estados de la
materia, sus relaciones y cambios; se concepta sobre
termodinmica
principalmente el aporte de la Segunda Ley de la Termodinmica y
se profundiza
sobre los ciclos de Refrigeracin en especial el ciclo simple y
el ciclo en dos
etapas con recirculacin de lquido.
Leccin 1: Estados de la Materia.
Toda la materia conocida, existe en una de las tres formas
fsicas o estados:
Slida, lquida o gaseosa.
La materia en estado Slido, mantiene su cantidad, forma y
dimensiones fsicas.
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La materia en estado Lquido, mantiene su cantidad y tamao pero
no su forma. El
liquido siempre toma la forma del recipiente que lo
contiene.
La materia en estado Gaseoso, no tiene una tendencia a retener
ni el tamao ni la
forma.
Movimiento molecular
Toda la materia se compone de pequeas partculas llamadas
molculas y la
estructura molecular de la materia puede posteriormente romperse
en tomos.
Cuando se aplica energa calorfica a una sustancia, se incrementa
la energa
interna de las molculas, lo cual aumenta su desplazamiento o
velocidad de
movimiento; hay tambin un incremento en la temperatura de la
sustancia.
Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una
disminucin en la
velocidad del movimiento molecular y tambin un descenso en la
temperatura de
la sustancia.
Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una
disminucin en la
velocidad del movimiento molecular y tambin un descenso en la
temperatura de
la sustancia.
Cambio de estado
Cuando una sustancia slida se calienta, el movimiento molecular
es
principalmente en la forma de rpido movimiento vibratorio, no
desplazndose
nunca las molculas de su posicin normal u original.
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Pero en alguna temperatura dada, una sustancia en particular, la
adicin posterior
de calor, no necesariamente incrementar el movimiento molecular
dentro de la
sustancia; en su lugar, el calor adicional causar que algn slido
se fusione
(Cambia a lquido). As el calor adicional causa un cambio de
estado en el
material.
Es as como el calor puede cambiar la temperatura y el estado de
las substancias
y tambin pueden ser absorbidos an cuando no exista cambio de
temperatura, como cuando un slido cambia a lquido, o cuando un
lquido se
cambia a vapor.
Cuando el vapor se vuelve lquido, o cuando el lquido vuelve a
transformarse en
slido, se despide la misma cantidad de Calor.
El ejemplo ms comn de este proceso es el agua, que existe como
lquido y que
puede existir como slido forma de Hielo y como Gas cuando se
trasforma en
Vapor.
Como hielo, es una forma de Refrigeracin, absorbiendo calor
mientras se derrite
a una temperatura constante de 0C (32F). Si se coloca agua en un
recipiente
abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentar a la
temperatura de
ebullicin o sea 100C al nivel del mar (212F). Sin importar la
cantidad de calor
aplicado, la temperatura no puede subir arriba de 100C, porque
el agua se estara
evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en
el recipiente
evitando la ebullicin y se continuar agregando calor, entonces
la temperatura
podra nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de
evaporacin o
ebullicin estar absorbiendo el calor y manteniendo la
temperatura a 100C.
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Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide
exactamente
la misma cantidad de calor que absorbi al evaporarse.
Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor
que fue
absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algn
proceso para la
congelacin.
Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeracin con
fro y con
enfriamiento; sin embargo, la prctica de ingeniera de
refrigeracin, trata casi
enteramente con la transmisin de calor.
Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que
deben ser
comprendidas para entender la operacin de un sistema de
refrigeracin.
En conclusin los estados de la materia son slido, lquido y
gaseoso. Cada
estado tiene sus caractersticas y funcionalidades especficas. Se
debe precisar
que pasa cuando ocurre un cambio de estado, que pasa cuando una
de las
variables como temperatura cambia en un producto alimenticio,
que efectos
ocurren y cmo enfrentar tcnicamente un salto trmico, esto lo ir
resolviendo el
estudiante a travs de la comprensin de las temticas descritas en
el mdulo.
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Leccin 2: Termodinmica Segunda Ley de la Termodinmica
La termodinmica es una rama de la ciencia que trata sobre la
accin mecnica
del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la
naturaleza, llamadas leyes
termodinmicas, que rigen nuestra existencia aqu en la tierra,
varios de los cuales
son bsicos para el estudio de la refrigeracin. La primera y la
ms importante de
estas leyes dice:
LA ENERGA NO PUEDE SER CREADA NI DESTRUIDA, SOLO PUEDE
TRANSFORMARSE DE UN TIPODE ENERGA EN OTRO
Calor
El calor es una forma de energa, creada principalmente por la
transformacin de
otros tipos de energa en energa de Calor; por ejemplo, la energa
Mecnica que
opera una rueda causa friccin y crea calor. Calor es
frecuentemente definido
como energa en transito, porque nunca se mantiene esttica, ya
que siempre est
transmitindose desde cuerpos clidos a los cuerpos fros.
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La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las
radiaciones del Sol.
Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfra;
una cuchara
sumergida en caf caliente absorbe el calor del caf y se
calienta. Sin embargo,
las palabras Ms Caliente y Ms Fro, son slo trminos
comparativos.
Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto,
incluso en
cantidades extremadamente pequeas. Cero absoluto es el trmino
usado pro los
cientficos para describir la temperatura ms baja que tericamente
es posible
lograr, en el cul no existe calor, y que es de 273C (-460F). La
temperatura
ms fra que podemos sentir en la tierra es mucho ms alta en
comparacin con
esta base.
Temperatura
La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del
calor y es el
indicador que determina la direccin en que se mover la energa de
calor.
Tambin puede definirse como el grado de calor sensible que tiene
un cuerpo en
comparacin con otro.
La temperatura se mide en Grados Fahrenheit (F), o se usa la
escala de Grados
Centgrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen
dos puntos
bsicos en comn: el punto de congelacin y el de ebullicin del
agua al nivel del
mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0C o a 32 F y hierve
a 100 C o a
212F. En la escala Fahrenheit la diferencia de temperatura entre
estos dos
puntos est dividida en 180 incrementos de igual magnitud
llamados grados
Fahrenheit, mientras que en la escala Centgrados, la diferencia
de Temperaturas
est dividida en 100 incrementos iguales llamados Grados
Centgrados.
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Medida de calor.
La medida de la temperatura no tiene ninguna relacin con la
cantidad de calor.
Una llamada de fsforo puede tener la misma temperatura que una
hoguera, pero
obviamente la cantidad de calor que despide es totalmente
diferente.
La unidad bsica para medir calor usado en nuestro pas, es la
calora que se
define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la
temperatura de un
gramo de agua 1 C. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de
un litro de
agua de 95 a 100 C, se requieren 5000 caloras.
Sin embargo, la unidad de calor empleada comnmente es la
Kilo-Calora (KCAL)
que equivale a 1.000 caloras y que pueden ser definidas como la
cantidad de
calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. De Agua, un
grado
Centgrado.
En el sistema Ingls, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL
UNIT (B.T.U.).
Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria
para elevar la
temperatura de una libra de agua 1 F. Por ejemplo: Para aumentar
la temperatura
de un Galn de agua (aproximadamente 8,3 lb.) de 70 F a 80 F, se
requieren 83
BTU.
8.3 x (80 70) = 83 B.T.U.
Calor especfico.
El Calor especfico de una sustancia es su capacidad relativa de
absorber o ceder
calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como
la cantidad de
Kilocaloras o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la
temperatura de un
Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1C o (1F). Por
definicin, el calor
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especfico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria
para aumentar o
disminuir la temperatura de otras substancias vara.
Se requieren, por ejemplo, nicamente 0,64 Kcal. por Kilo (0,64
BTU por libra)
para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de
Aluminio 1 C (1F),
por lo tanto, los calores especficos de estas dos substancias
son 0,64 y 0,22
respectivamente.
Calor sensible
El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio
de temperatura
en una sustancia. En otras palabras es como su nombre lo indica,
el calor que
puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la
temperatura del agua se
eleva de 0C a 100C, hay tambin un aumento de calor sensible.
Calor latente
Calor latente es el que necesita para cambiar un slido en
lquido, o un lquido en
gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la
sustancia. La
palabra latente significa oculto, o sea que este calor requerido
para cambiar el
estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos.
Tonelada americana de refrigeracin
An en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de
refrigeracin, la
cual es realmente una unidad americana basada en el efecto
frigorfico de la
fusin del hielo. La tonelada de refrigeracin puede definirse
como la cantidad de
calor absorbida por la fusin de una tonelada de hielo slido puro
en 24 horas.
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Puesto que el calor latente de fusin de una libra de hielo es de
144 BTU, el calor
latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo ser 144
* 2000, o sea
288,000 BTU por 24 horas.
Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24
horas, lo cual da
una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de
TONELADA DE
REFRIGERACION. Puesto que el calor latente del hielo en el
sistema mtrico es
de 80 Kilo- Caloras y que y una tonelada americana e igual a
907.187 kilos, la
tonelada de refrigeracin es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575
kilo- caloras por 24
horas, es decir, 3.024 kilo-caloras por hora.
Calor latente de fusin
El cambio de una sustancia de slido a lquido o de lquido a slido
requiere calor
latente de fusin. Este tambin puede llamare calor latente de
fusin o calor
latente de congelacin.
Cuando se derrite un kilo de hielo, ste absorbe 80 kilo-caloras
(144 BTU) a una
temperatura constante de 0C (32F); del mismo modo, cuando se
congela un kilo
de agua para convertirla en hielo, deben sustrarsele 80 kilo-
caloras (144 BTU) a
una temperatura constante de 0C (32F). En la congelacin de
productos
alimenticios, nicamente se considera el calor latente del
porcentaje de agua que
estos contienen; por tanto, el calor latente se conocer,
determinado e porcentaje
de agua que existe en dichos productos.
Calor latente de evaporacin
Para cambiar una sustancia de lquido a vapor y de vapor a lquido
se requiere
calor latente de evaporacin.
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Puesto que la ebullicin es slo un proceso acelerado de
evaporacin, este calor
tambin puede llamarse calor latente ebullicin, calor latente de
evaporacin, o
para el proceso contrario, el calor latente de condensacin.
Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo-
caloras (970 BTU)
a una temperatura constante de 100C (212F) al nivel del mar;
igualmente, para
condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- caloras
(979 BTU).
Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la
evaporacin y en la
condensacin, la transmisin de calor puede ser eficiente mediante
este proceso.
Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican
tambin a
cualquier lquido a diferentes presiones y temperaturas.
La absorcin de calor para cambiar un lquido a vapor y la
sustraccin de este
calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo
el proceso de la
refrigeracin mecnica y la transmisin del calor latente
requerido, es el
instrumento bsico de la refrigeracin.
El cambio de una sustancia de slido a lquido o de lquido a slido
requiere calor
latente de fusin. Este tambin puede llamare calor latente de
fusin o calor
latente de congelacin.
Cuando se derrite un kilo de hielo, ste absorbe 80 kilo-caloras
(144 BTU) a una
temperatura constante de 0C (32F); del mismo modo, cuando se
congela un kilo
de agua para convertirla en hielo, deben sustrarsele 80 kilo-
caloras (144 BTU) a
una temperatura constante de 0C (32F). En la congelacin de
productos
alimenticios, nicamente se considera el calor latente del
porcentaje de agua que
estos contienen; por tanto, el calor latente se conocer,
determinado e porcentaje
de agua que existe en dichos productos.
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Calor latente de evaporacin
Para cambiar una sustancia de lquido a vapor y de vapor a lquido
se requiere
calor latente de evaporacin.
Puesto que la ebullicin es slo un proceso acelerado de
evaporacin, este calor
tambin puede llamarse calor latente ebullicin, calor latente de
evaporacin, o
para el proceso contrario, el calor latente de condensacin.
Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo-
caloras (970 BTU)
a una temperatura constante de 100C (212F) al nivel del mar;
igualmente, para
condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- caloras
(979 BTU).
Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la
evaporacin y en la
condensacin, la transmisin de calor puede ser eficiente mediante
este proceso.
Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican
tambin a
cualquier lquido a diferentes presiones y temperaturas.
La absorcin de calor para cambiar un lquido a vapor y la
sustraccin de este
calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo
el proceso de la
refrigeracin mecnica y la transmisin del calor latente
requerido, es el
instrumento bsico de la refrigeracin.
Calor latente de sublimacin
El proceso de sublimacin es el cambio directo de un slido a un
vapor sin pasar
por el estado lquido, que puede ocurrir en algunas sustancias.
El ejemplo ms
comn es el uso de hielo seco o sea dixido de Carbono para
enfriar.
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El mismo proceso puede ocurrir con hielo abajo de su punto de
congelacin, y se
utiliza tambin en algunos procesos de congelamiento a
temperaturas
extremadamente bajas y altos vacos. El calor latente de
sublimacin es igual a la
suma de calor latente de fusin y el calor latente de
evaporacin.
TABLA No 1 CALORES ESPECIFICOS DE ALGUNOSALIMENTOS
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Temperatura de saturacin
Saturacin es la condicin de temperatura y presin en la cual el
lquido y el vapor
pueden existir simultneamente. Un lquido o vapor esta saturado
cuando est en
su punto de ebullicin (para el nivel del mar, la temperatura de
saturacin del agua
es de 100C o 212 F). A presiones ms altas la temperatura de
saturacin
aumenta, y disminuye a temperatura ms baja.
Vapor sobrecalentado
Cuando un lquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de
calor
aumentar su temperatura (calor sensible). Siempre y cuando la
presin a la que
se encuentre expuesto se mantenga constante. El trmino vapor
sobrecalentado
se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentre
arriba de su
punto de ebullicin o saturacin. El aire a nuestro alrededor
contiene vapor
sobrecalentado.
Lquidos subenfriados
Cualquier lquido que tenga una temperatura inferior a la
temperatura de
saturacin corresponde a la presin existente, se dice que s
encuentra
subenfrado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su
temperatura de
ebullicin (100C al nivel del mar) est subenfrada.
Presin
Presin atmosfrica
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La presin se expresa como una fuerza perpendicular ejercida
sobre un rea o
superficie. Pues bien la presin atmosfrica ser la fuerza de
gravedad que atrae
la capa de gases que componen la atmsfera sobre la superficie
terrestre, y se
denomina presin atmosfrica estndar a la presin atmosfrica a
nivel del mar.
Presin absoluta
Generalmente, la presin absoluta expresa en trminos de bar o de
kilogramo-
fuerza por centmetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada
cuadrada) y se cuenta
a partir del vaco perfecto en el cual no existe la presin
atmosfrica. Por tanto en
el aire a nuestro alrededor, la presin absoluta y la atmsfera
son iguales.
Presin manomtrica
Un manmetro de presin est calibrado para leer 0 kilogramo-fuerza
por
centmetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) cuando
no est
conectado a algn recipiente con presin; por tanto, la presin
absoluta de un
sistema cerrado ser siempre la presin manomtrica ms la presin
atmosfrica.
Las presiones inferiores a la presin atmosfrica Standard son
realmente lecturas
de depresin en los manmetros y se denominan vacos. Un manmetro
de
refrigeracin mixto (compound) est calibrado en el equivalente en
milmetros
(pulgadas) de Mercurio por las lecturas de depresin.
Puesto que 1.03 Kg./cm2 (14.7 PSI) equivale aproximadamente a
760 milmetros
de columna de Mercurio (29.92 pulgadas). Es importante recordar
que la presin
manomtrica es siempre relativa a la presin absoluta. Diferentes
tablas
demuestran la relacin de presiones a diferentes altitudes
suponiendo que las
condiciones atmosfricas sean normales.
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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA
La segunda ley de la termodinmica, como se discuti antes
establece que se
transfiere calor en una sola direccin, de mayor a menor
temperatura; esto tiene
lugar a travs de tres modos bsicos de transferencia de calor que
se detallan a
continuacin.
Conduccin
La conduccin se describe como la transferencia de calor entre
las molculas
cercanas de una sustancia, o entre sustancias que estn tocndose
o en un
contacto fsico real con la otra. Cuando la transferencia de
calor ocurre en una
sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en
una llama de
fuego, el movimiento de calor va hasta que hay un balance de
temperatura a todo
lo largo de la longitud de la varilla.
Si la varilla se sumerge en agua, las molculas que se mueven
rpidamente sobre
la superficie de la varilla transmitirn algn calor a las
molculas del agua y otra
transferencia de calor por conduccin tendr lugar.
Cuando la superficie exterior de la varilla se enfra, hay an
algn calor dentro de
la varilla y este continuar transfirindolo a las superficies
exteriores de la varilla y
luego al agua hasta que se alcanza el balance de
temperatura.
La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la
conduccin vara
con las diferentes sustancias o materiales si stas poseen
iguales dimensiones.
La tasa de transferencia de calor variar de acuerdo a la
habilidad de los
materiales o sustancias para conducir calor.
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Los slidos, en general son mucho mejore conductores que los
lquidos; y a su vez
los lquidos conducen el calor mejor que los gases o los
vapores.
La mayora de los metales tales como la plata, cobre, acero y el
hierro, conducen
el calor mucho ms rpidamente, mientras que otros materiales
tales como vidrio,
la madera y otros materiales de construccin, transfieren el
calor en una tasa
mucho ms lenta y por consiguiente solo usados como
aislantes.
El Cobre es un excelente conductor de calor como lo es el
Aluminio. Estas
sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores,
condensadores y
tubera de refrigerante que conecta los varios componentes de un
sistema de
refrigeracin, aunque el hierro es ocasionalmente usado con
algunos refrigerantes.
La tasa a la cual el calor pueda conducirse a travs de varios
materiales depende
de factores tales como:
a) El espesor del material
b) La diferencia de temperatura entre los lados del material
c) La conductividad trmica (factor k) de un material
d) El tiempo de duracin del flujo de calor.
La siguiente tabla presenta los factores de conductividad trmica
de algunos
materiales comunes.
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TABLA No. 2 FACTORES DE CONDUCTIVIDAD TERMICA
Los factores k estn dados en [(Kcal./ (hr x Mt x C)] estos
factores pueden
utilizarse correctamente a travs del uso de la siguiente
ecuacin:
Q = A K (T2 T1) / X
DONDE:
A : rea seccional en Mt2
K : Conductividad trmica en [Kcal/(h)(Mt)(C)]
T: Diferencia de temperatura entre los dos lados
X: Espesor del material en Metros.
Los materiales de una alta conductividad se usan dentro del
sistema de
refrigeracin en si mismo a causa de que es deseable que una
transferencia de
calor rpida ocurra tanto en el evaporador como en el
condensador.
El evaporador es donde el calor se remueve, del espacio
refrigerado o el proceso
que ha estado en contacto directo con la sustancia. El
condensador disipa este
calor a otro medio o espacio.
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En el caso del evaporador el producto o aire est a una mayor
temperatura que el
refrigerante dentro de la tubera y hay una transferencia de
calor de mayor a
menor temperatura; mientras que en el condensador el vapor del
refrigerante est
a una mayor temperatura que la del medio enfriarte viajando a
travs del
condensador, y aqu de nuevo hay una transferencia de calor de
mayor a menor
temperatura.
Conveccin
Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento de
material calentado
en s mismo cuando se trata de un lquido o gas. Cuando el
material se calienta,
las corrientes de conveccin son producidas dentro del mismo y
las porciones ms
calientes de l suben, ya que el calor trae consigo el
decrecimiento de la densidad
del fluido y un incremento en su volumen especfico.
El aire dentro de un refrigerador y el agua que se calienta en
una vasija son
ejemplo primario de los resultados de las corrientes de
conveccin.
El aire en contacto con el serpentn de enfriamiento de un
refrigerador llega a
enfriarse y por consiguiente se vuelve ms denso, y empieza a
bajar a la parte
inferior e ste. Al hacerlo absorbe inferior calor de los
alimentos y de las paredes
del refrigerador, el cual a travs de conduccin, ha ganado calor
del cuarto.
Despus de que el calor ha sido absorbido por el aire, ste se
expande
volvindose ms liviano y sube nuevamente al serpentn enfriador en
donde el
calor nuevamente se renueva de l. El ciclo de conveccin se
repite siempre que
haya una diferencia de Temperatura entre el aire y el
evaporador.
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Las corrientes de Conveccin tales como las explicadas aqu son
naturales, y, o
como el caso de un refrigerador, el flujo natural es un flujo
lento. En algunos casos
la conveccin debe incrementarse con el uso de ventiladores o
sopladores; en el
caso de los lquidos se usan bombas para forzar la circulacin y
la transferencia
de calor de un lugar a otro.
Radiacin
Un tercer medio de transferencia de calor es la radiacin por
medio de ondas
similares a las de la luz o las ondas de sonido. Los rayos del
sol calientan la tierra
por medio de ondas de calor radiantes el cual viaja en caminos
rectos sin calentar
la materia que interviene en su recorrido o el aire. El calor de
un bulbo de luz o de
una estufa caliente es radiante en naturaleza y se siente cuando
se est cerca de
ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los
rayos pasan a travs de
l no se calienta.
Si usted ha estado relajndose en un edificio sombreado o en un
rbol en un da
caliente o soleado y se mueve directamente a los rayos del sol,
el impacto directo
de las ondas calorficas le golpear como un pesado martillo an
cuando la
temperatura del aire en la sombra es aproximadamente la misma
que en la parte
soleada. A bajas temperaturas hay solamente una pequea cantidad
de radiacin,
y solamente se sienten pequeas diferencias de temperatura, por
consiguiente la
radiacin tiene pequeo efectos en el proceso real de
refrigeracin, pero los
resultados de la radiacin de los rayos solares pueden causar un
incremento en la
carga de refrigeracin en un edificio expuesto a estos rayos.
El calor radiante es rpidamente absorbido por materiales o
sustancias oscuras o
mates, mientras las superficies o materiales con colores claros,
reflejarn las
ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz.
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Este principio tambin se utiliza en el campo del Aire
Acondicionado, donde, con
techos y paredes claras, penetrar menos calor radiante en el
espacio
acondicionado, reduciendo as el tamao del equipo de enfriamiento
requerido.
El calor radiante tambin penetra fcilmente las ventanas con
vidrios claros, pero
es absorbido por vidrios opacos o traslcidos.
Cuando el calor radiante o energa (ya que todo el calor es
energa) es absorbido
por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, el
cual puede sentirse
o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energa radiante en
algunas
cantidades, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el
cuerpo
especfico o sustancia y la otra sustancia. Toda sustancia radiar
energa cuando
su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia
prxima este a
menor temperatura.
Si un carro se deja sol bajo el sol caliente, con las ventanas
cerradas durante un
perodo de tiempo largo, la temperatura dentro del carro ser
mucho mayor que la
del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energa
absorbida por los
materiales de los cuales se construye el carro se convierte a
calor sensible, que
puede medirse.
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Leccin 3: Ciclos de Refrigeracin
SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR
Diagrama presin entalpa
Para realizar ciertos clculos en instalaciones de refrigeracin
es preciso disponer,
y saber manejar, los diagramas que permiten trabajar a
diferentes presiones,
temperaturas y contenido entlpicos del medio refrigerante que se
utilice.
Los diagramas permiten obtener los datos termodinmicos que se
necesitan para
resolver los problemas que se plantean en los ciclos de
refrigeracin.
Hay varios tipos de diagramas; Uno de los ms empleados es el de
presin
entalpa.
Este diagrama tiene la presin en ordenadas (eje vertical) y la
entalpa en
abscisas (eje horizontal). Mediante lneas que atraviesan el
diagrama se indican la
temperatura, el volumen especfico y a entropa.
En el diagrama modlico indicado puede apreciarse las zonas de
Vapor saturado,
lquido saturado, vapor recalentado, liquido subenfriado y mezcal
liquido- vapor en
el interior de la campana.
Cada refrigerante tiene su propio diagrama
Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su
propia forma y
dimensiones y no puede utilizarse un diagrama cualquiera para
todos los casos,
sino que debe utilizarse el especfico del refrigerante.
Vamos a repasar el significado de las diferentes zonas.
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Vapor Saturado:
Es vapor que se encuentra en equilibrio con su fase liquida a
presin y
temperaturas especificadas.
Vapor Recalentado: Es vapor que se ha calentado. Esta
representado por la zona
de la derecha de la campana.
Lquido Saturado: Es lquido que est a punto de hervir. Esta
representado por la
curva de la izquierda de la campana.
Lquido Subenfriado: Es un lquido a una temperatura inferior a la
de saturacin.
Esta representado por la zona de la izquierda de la campana.
Mezcla lquido- Vapor: Es la zona interior de la campana. La
campana esta
rematada por el punto Crtico, que representa unas condiciones de
presin y
temperaturas tales que no distingue el estado del fluido (si es
liquido o gas)
En el proceso tienen lugar dos fenmenos con balance de
calor:
La evaporacin de un refrigerante en estado lquido produce la
absorcin de calor
o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cmara
donde se
encuentra, produciendo sensacin de fro.
La condensacin del Vapor de un refrigerante se produce mediante
una sesin de
calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevacin de
temperatura el mismo.
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Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los
elementos que
configuren la instalacin impongan al refrigerante, de modo que
pueda seguirse
desde cualquier punto.
En la figura, veamos el ciclo que se producir en un circuito
frigorfico ideal sobre
el diagrama Presin- entalpa de cualquier refrigerante. Sobre las
abscisas se
representa la entalpa del refrigerante en Kjoule/Kg y sobre las
ordenadas la
presin en Psi o bar. El diagrama es conocido para cada
refrigerante, y su
principal elemento caracterstico es la curva de saturacin del
mismo, como ya se
ha explicado.
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Diagrama Presin Entalpa
Situmonos en el punto antes del dispositivo de expansin, previa
al evaporador,
en que el refrigerante se encuentra en estado lquido a una
cierta presin; su paso
al evaporador se controla mediante un dispositivo cuya funcin es
regular el paso
de refrigerante.
Dicha vlvula produce una estrangulacin brusca que hace que a
presin
descienda desde la que tena a la salida del condensador hasta la
existente a la
entrada del evaporador.
La vlvula es el regulador automtico de los lmites entre los que
se denomina
parte de alta presin y parte de baja presin, presiones entre las
cuales la vlvula
se ve forzada de trabajar.
Esta bajada de presin en el evaporador hace que el refrigerante
hierva y se
produzca su evaporacin, auxiliado por la cantidad de calor que
absorbe del
recinto en que se encuentra, a travs del aire del mismo y
transfirindolo al liquido,
que se va transformando en vapor en el interior de los tubos de
serpentn hasta
que se evapora completamente.
El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la
tubera denominada
de aspiracin o succin, a travs de la vlvula de aspiracin
(semejante a los
cilindros de un carro). Aqu el refrigerante es comprimido
aumentando por ello su
presin y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas
condiciones fluye hasta la
entrada del condensador.
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La vlvula de salida del cilindro del compresor actuar de
retencin, impidiendo
que el gas regrese hacia el mismo. En el condensador, mediante
la accin de un
fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae calor
al gas refrigerante, lo
cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su
condensacin hasta
alcanzar el estado liquido; a partir de aqu s impulsado de nuevo
por la tubera
hacia la vlvula de expansin, punto donde se repite el ciclo
explicado.
Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas
diferentes, lo
cual hace que el estado refrigerante sea distinto en varios
puntos; por ejemplo, se
obtiene lquido subenfriado y saturado, vapor saturado y
sobrecalentado, como se
ver en el ciclo real.
No obstante, en principio solo hay dos presiones perfectamente
diferenciadas, que
son las que corresponden a la evaporacin y a la condensacin.
Es por ello que puede hablarse del LADO DE ALTA PRESIN y del
LADO DE
BAJA PRESIN de una planta o instalacin frigorfica.
Distingamos las caractersticas de presin (p), temperatura (t) y
entalpa (h) de los
puntos ms representativos del proceso sobre dichas figuras.
El refrigerante condensado, esta a una temperatura tc (de
condensacin) y a una
determinada presin pc (presin de condensacin) y a una entalpa
h1.
Cuando el lquido pasa a travs de la vlvula de expansin su estado
disminuye
su presin y aumenta su velocidad. Esta variacin permite que
cambie de estado,
se produce por la ebullicin del lquido, provocada por la cada
brusca de presin,
bajando al mismo tiempo la temperatura. En este proceso el calor
es constante,
por lo que la entalpa no vara.
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A la entrada del evaporador, coexiste una mezcla de vapor y
liquido (parte interior
de la curva p-h), mientras que a la salida del mismo, el vapor
esta saturado.
La presin y la temperatura son las mismas, pero como el
evaporador ha
absorbido calor del recinto donde se encuentro, la entalpa ha
aumentado antes de
la entrada del compresor.
Cuando el vapor pasa por el compresor, este le confiere un
aumento de presin al
vapor ha llegado, hasta el punto de presin de condensacin. Esta
energa
aadida por el compresor hace que aumente la temperatura hasta el
valor
necesario, como consecuencia de haber sido recalentado el vapor,
y la entalpa,
por tanto, a la entrada del condensador, encontramos, pues,
vapor recalentado a
una presin de condensacin. All se evacua el calor al medio
ambiente, hasta
conseguir que su entalpa descienda de nuevo, por tener lugar el
proceso de
cambio de estado de gas a lquido.
En la prctica, el ciclo ideal o terico no se produce exactamente
como se ha
descrito, ya que debido a otras causas, suelen producirse
variaciones que apartan
sensiblemente el comportamiento del refrigerante de su ciclo
terico. Es el
denominado ciclo real y sus diferencias principales se
encuentran las
caractersticas de los elementos que constituyen a la instalacin
(evaporadores,
condensadores compresores y tubera de refrigerante) en forma
de
recalentamiento o subenfriamientos que varan las condiciones
tericas de los
valores de presin y temperatura, fundamentalmente.
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Leccin 4: Ciclo Simple de Refrigeracin
El ciclo de refrigeracin en una etapa consta de cuatro procesos
que transportan
calor desde una fuente de baja temperatura (cmara fra), hasta
una fuente de alta
temperatura (atmsfera).
Los equipos necesarios para el ciclo son:
Evaporador.
Compresor.
Condensador.
Vlvula de expansin.
Refrigerante
Figura No. 2 Ciclo Simple de Refrigeracin mecnica
Los cuatro procesos bsicos del sistema de refrigeracin son:
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Evaporacin 1 - 2: Existe un intercambio de calor entre el cuarto
fro y el
refrigerante. El refrigerante cambia de fase a presin
constante.
Compresin 2 - 3: El compresor eleva la presin del refrigerante,
para elevar su
temperatura.
Condensacin 3 - 4: Existe un intercambio de calor entre el
refrigerante y la
atmsfera. El refrigerante baja su temperatura y luego cambia de
fase, esto ocurre
a presin constante.
Expansin 4 - 1: El refrigerante baja sbitamente su presin y de
esta forma baja
tambin su temperatura. El proceso ocurre a entalpa
constante.
Figura 3. Diagrama presin del refrigerante Vrs Nivel de energa
Entalpa
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El balance trmico de este sistema genera los siguientes
resultados:
Capacidad del Evaporador:
Qe = m * (h2 - h1)
Potencia del compresor:
Wc = m * (h3 - h2)
Capacidad del condensador:
Qc = m * (h3 - h4)
En el diagrama se observa que:
(h2 - h1) + (h3 - h2) = (h3 - h4)
As que: Qe + Wc = Qc
La eficiencia de un sistema de refrigeracin la determina el
coeficiente de
operacin: COP = Qe / Wc
1 TR = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW = 3412.14 BTU / hr
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Leccin 5: Ciclo de Refrigeracin en dos etapas con recirculacin
de lquido
En un sistema de refrigeracin industrial se hacen variaciones al
sistema en una
etapa con el fin de: Aumentar la capacidad de refrigeracin y
disminuir la energa
consumida.
Para esto se deben agregar los siguientes elementos:
1. Otro compresor
2. Un recirculador
3. Un intercambiador
4 Elementos auxiliares (recibidores, purgadores, vlvulas y
otros).
Observar en detalle la siguiente figura:
Figura No.4 Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin
de
lquido
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Los procesos de este ciclo son bsicamente los mismos pero hay
dos diferencias:
En el recirculador se acumula refrigerante lquido en la parte
inferior y se bombea
hacia los evaporadores. En el ciclo simple a los evaporadores
llega refrigerante
directamente de la expansin.
Por esto se aumenta la capacidad de refrigeracin. h4 -h3 > hb
ha
La energa que consume el compresor de baja y el de alta es menor
que la
energa que consume el compresor en una etapa, siempre que
trabajen entre los
mismos niveles de presin. De esta forma el consumo de energa es
menor y es
ptima a determinada presin intermedia.
(h6 - h5) + (h8 - h7) < hc hb
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En la figura 7 se pueden demostrar los anteriores
enunciados:
CAPACIDAD DE REFRIGERACION:
Sin recirculacin = 1396 - 302 = 1094 kJ / kg.
Con recirculacin = 1396 - 81 = 1315 kJ / kg.
Incremento (%) = 20.20%. Reduccin en el tamao de todos los
equipos (ms
econmicos).
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ENERGIA CONSUMIDA EN COMPRESION
En una etapa = 1814 - 1396 = 418 kJ / kg.
En dos etapas = (1558 - 1396) + (1663 - 1430) = 395 kJ / kg.
Ahorro de energa (%) = 5.50%. Si al mes se pagan $ 15 000 000.oo
por el
consumo en compresin, tericamente al trabajar en dos etapas se
ahorran $
825000.
Tonelada Refrigeracin = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW =
3412.14 BTU / hr
Figura No. 7 Diagrama de la Presin vs Entalpa
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Capitulo 2. Fundamentos de la Refrigeracin y la congelacin
Introduccin
En este captulo se revisar y estudiar lo concerniente al manejo
de temperaturas
aplicadas a procesos de refrigeracin y congelacin. Es muy
importante revisar los
conceptos de fro aplicados a productos alimenticios con el fin
de lograr su
conservacin en adecuados sitios de refrigeracin los cuales se
disearn de
acuerdo a parmetros tcnicos establecidos que se revisarn en el
presente
mdulo.
Leccin 1. Generalidades Refrigeracin mecnica
Las bajas temperaturas son una herramienta importante para la
conservacin de
Alimentos perecederos, la reduccin de temperatura tiene un
efecto sobre los
procesos fisiolgicos del producto sobre las reacciones
bioqumicas que integran
el proceso metablico global caracterstico de cada tejido
biolgico.
La velocidad de estas reacciones decrece a partir de los niveles
ptimos de
Temperatura para la actividad especfica de enzimas, por lo
tanto, el fro reduce el
ritmo y velocidad de los procesos de respiracin, transpiracin,
maduracin y
Deterioro, as mismo, las bajas temperaturas reducen la accin
de
microorganismos patognicos que puedan causar efecto negativo
sobre los seres
humanos y animales.
El enfriamiento es el proceso que retira el calor de una
sustancia o producto con el
fin de reducir su temperatura y mantenerla a un nivel adecuado.
El calor es una
forma de Energa trmica en transicin de un sistema a otro a travs
del lmite que
los separa debido solo a la diferencia de temperatura entre los
sistemas.
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El fro es la expresin de un nivel relativamente bajo de calor,
durante el
almacenamiento refrigerado el producto es enfriado mediante su
remocin de
calor.
Concepto de Carga trmica
Para mantener fra una cmara y todo lo que este contenida en
ella, es necesario
extraer el calor inicial y despus el que pueda ir entrando en la
cmara por bien
aislada que este.
El requerimiento total de refrigeracin, Q total, puede
establecerse como siguiente:
Q total = Q producto + Q otras fuentes
En la anterior expresin, los trminos del segundo miembro tienen
el siguiente
significado:
Q producto = representa los sumandos necesarios que tiene en
consideracin en
la carga trmica a eliminar procedente del calor sensible, del
calor latente de
solidificacin, de las reacciones qumicas del embalaje y del
calor absorbido para
la congelacin del agua de los alimentos o productos que se desea
refrigerar.
Q otras fuentes = Incluye entre otros los flujos de calor a
travs de los
cerramientos de la cmara por transmisin de paredes, suelo y
techo, la
refrigeracin para el aire exterior que se introduce, la
ventilacin, las cargas
trmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminacin elctrica,
personas que
manipulan los productos, etc.
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Como el calor generado en las 24 horas de un da se ha de extraer
en un nmero
de horas menor, en las horas de funcionamiento diario, la
potencia frigorfica de la
maquinaria NR habr de ser superior a la potencia Q total
calculada para extraer
en las 24 horas. Su valor ser:
NR = Q total / t
Transmisin de calor a travs de estructura
La ganancia de Calor a travs de paredes, pisos y techos, variar
segn las
siguientes caractersticas:
A.- Tipo de Construccin.
B.- rea expuesta a diferentes temperaturas
C.- Tipo y espesor del aislante
D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio refrigerado y la
temperatura
ambiental.
Este clculo se establece a partir de la ecuacin:
Q = A X U (T exterior -- T interior)
Donde:
A =rea de Intercambio
U = Coeficiente Global de Transferencia
T Ext. = Temperatura Exterior
T int. = Temperatura Interior
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La refrigeracin mecnica
En esta parte analizaremos uno de los fenmenos de mayor
utilizacin dentro de
los procesos de conservacin de la industria alimentaria.
Recordemos cmo el propsito principal de un sistema de
refrigeracin es el de
mantener un cuerpo cualquiera a una temperatura menor a la del
medio que le
rodea. De hecho, la refrigeracin se fundamenta, desde el punto
de vista
termodinmico, en la diferencia existente entre las temperaturas
de saturacin o
condensacin de los vapores a diversas presiones, tambin sabemos
que en la
medida en que disminuye la presin dentro de un equipo
refrigerador al mismo
tiempo disminuyen las temperaturas de condensacin. Este
principio se constituye
entonces en la base conceptual que permite entender el fenmeno
de la
refrigeracin. Observemos la siguiente figura:
FIGURA No.8 . Sistema de refrigeracin (Esquema)
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Analicemos rpidamente los componentes marcados en la figura
anterior:
En el evaporador, la presin sobre el refrigerante es lo
suficientemente baja como
para que la evaporacin del liquido refrigerador tenga lugar a
una temperatura
baja previamente elegida. En el se sucede el fenmeno de la
evaporacin que
consiste en extraer del entorno a la temperatura baja ya
conocida previamente, el
calor latente de vaporizacin del lquido refrigerante.
Posteriormente, en el resto
del sistema y como paso siguiente los vapores son aspirados por
el compresor
que eleva su presin y los enva al condensador, all el lquido
refrigerante cede su
calor latente de vaporizacin.
Entonces, la refrigeracin consiste en un transporte de calor de
una fuente de
baja temperatura evaporador- hasta una fuente de alta
temperatura
condensador.
Como medio de transporte se emplea un refrigerante que es un
elemento que en
el evaporador toma el calor y lo descarga en el condensador. El
intercambio de
calor se hace a travs de superficies cerradas, luego el
refrigerante nicamente
esta en contacto con los equipos necesarios para el ciclo.
En sntesis, el ciclo de refrigeracin est integrado por tres
equipos bsicos como
lo son: el evaporador, el compresor y el condensador; en l
ocurren los
fenmenos de evaporacin a baja presin y baja temperatura seguidos
por etapas
de compresin y condensacin a temperatura atmosfrica y presiones
elevadas,
aqu el lquido a elevada presin pasa del condensador hasta el
evaporador por
intermedio de una vlvula (de expansin) que permite, a partir de
este punto la
repeticin del ciclo.
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Es importante tener en cuenta que el manejo de las temperaturas
de evaporacin
y condensacin est sujeto al ajuste de presiones. Por ejemplo,
una presin alta la
puede determinar la temperatura del agua de refrigeracin
disponible.
En el caso de la presin de evaporacin, sta es generalmente
regulada por la
necesidad que tenga el producto que se vaya a conservar, de una
temperatura
baja especfica o de una velocidad de enfriamiento o congelacin
tambin
especfica.
El uso de temperaturas de evaporacin bajas significa, un mayor
trabajo de los
compresores y mayores volmenes de vapor a baja presin, es decir,
un alto costo
de operacin.
Abordaremos a continuacin los principales aspectos termodinmicos
que deben
ser tenidos en cuenta durante un proceso o ciclo de
refrigeracin:
Figura No. 9 Esquema ciclo de refrigeracin
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1. Aspiracin del compresor. Tenemos gas sobrecalentado a baja
presin, el
compresor aspira los vapores que se forman en el evaporador.
2. Descarga del compresor. Tenemos gas a alta presin y alta
temperatura, esta
presin es la presin de condensacin.
3. Entrada al condensador. A la misma presin que el punto 2 pero
con algo
menos de temperatura.
4. Condensador. Una mezcla de gas saturado y lquido a la presin
de
condensacin aqu la temperatura ya ha disminuido. A medida que
vamos
saliendo del serpentn o intercambiador cada vez hay ms lquido y
menos gas.
De esta manera al licuar el gas el sistema traspasa calor el
medio.
5. Aqu, si el proceso de condensacin ha sido eficiente, tenemos
lquido saturado,
a presin de condensacin.
6. Salida del depsito de lquido (s lo hay). En algunas
instalaciones grandes se
pone un depsito de lquido capaz de guardar el 125% de todo el
gas que cabe en
la instalacin, para recuperarlo si tenemos una avera y no
perderlo, y tambin
como acumulador que permite suministrar lquido a la vlvula de
expansin sean
cuales sean las condiciones en las que trabaje la instalacin,
.El depsito de
lquido estar casi lleno cuando la instalacin este a baja carga y
estar casi vaco
cuando la instalacin este a plena carga y las vlvulas de
expansin se abran para
regar el evaporador.
Tiene una llave en su salida para poderla cerrar y recuperar el
gas que queda
encerrado entre esta vlvula y la vlvula de descarga del
compresor (que no deja
pasar el fluido hacia atrs).
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7. Lquido a la presin de condensacin pero subenfriado; cuanto
mayor sea el
subenfriamiento mejor rinde la instalacin ya que el refrigerante
dispone de ms
entalpa en su evaporacin para llevarse el calor del evaporador.
Dicho de otra
manera, para el mismo desplazamiento del compresor (que mueve
unos
determinados kilos de refrigerante) se tiene una mayor
diferencia de entalpa por
kilo de refrigerante.
8. Salida, prcticamente igual que en el punto 7 menos una pequea
prdida de
carga que produce este filtro. Recordar que a cada presin
corresponde una
temperatura y si perdemos presin tambin baja la temperatura.
9. Entrada a la vlvula de expansin. A la misma temperatura y
presin que en el
punto 8.
10. Salida de la vlvula de expansin. El refrigerante sale
prcticamente en estado
lquido. Debido a la baja presin a la que ahora est sometido, el
refrigerante sale
a baja temperatura.
11. Entrada al evaporador. Similares condiciones al punto
10.
12. El refrigerante en el evaporador. Por contacto trmico, el
refrigerante se enfra
y se gasifica, absorbiendo calor del medio. Es en este punto
donde se produce el
efecto til del enfriamiento.
13. La salida del evaporador. Vapores del refrigerante salen a
presin y
temperatura muy baja.
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Leccin 2: Coeficientes de Funcionamiento
Veamos el siguiente esquema:
Como se observa, en la Figura 10, la mquina frigorfica logra
extraer la cantidad
de calor q2 del recinto a baja temperatura t2, gracias al
consumo del trabajo
exterior W, proceso que va acompaado por la transferencia del
calor q2 al recinto
de mayor temperatura t1.
FIGURA No. 10 Esquema general mquina frigorfica
En consecuencia el coeficiente de funcionamiento o eficacia (Cf
) de la mquina se
encuentra definida por:
Si el caso fuere el de utilizar una mquina frigorfica que opere
entre las
temperaturas t2 y t1. Siendo t1 >t2, es decir, que si la
temperatura de la fuente fra
es mayor o igual a la temperatura ambiental a la mquina se le
denomina bomba
de calor. En esencia ambos mecanismos (bomba y frigorfico) son
los mismos; su
diferencia esencial estriba como se observa, en los niveles
trmicos en los que
operan.
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FIGURA No. 11 Esquema de una bomba de calor
En sntesis lo interesante de un equipo de refrigeracin es
conocer la cantidad de
calor (q1) que se logra extraer del recinto fro, mientras que de
la bomba de calor
lo que interesa conocer es la cantidad de calor (q2) cedido al
recinto de
temperatura t1 por esto y a diferencia de una mquina frigorfica,
el coeficiente de
funcionamiento de la bomba de calor vendra dada por la siguiente
relacin:
Con lo anterior es fcil entender el porqu una bomba de calor
puede ser
empleada como mecanismo de calefaccin.
La eficiencia de una mquina trmica, bien sea que opere como
refrigerador o
como bomba de calor, viene dada por la siguiente ecuacin:
Eficacia = Coeficiente de Funcionamiento Eficiencia
q1 = representa el calor absorbido del recinto de menor
temperatura T2
q2 = representa el calor cedido al recinto de mayor temperatura
T1.
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Para finalizar este aparte recordemos el concepto bsico de
energa utilizable o
exergia:
El concepto de energa utilizable es fundamental para analizar
las caractersticas
de un ciclo cualquiera; se utiliza para determinar la eficacia
de un dispositivo cuyo
objetivo sea realizar un trabajo W.
Si recordamos la definicin de eficacia dada por Darrieus, esta
es un proceso
sistmico que permite conocer la relacin entre el trabajo
realizado y el mximo
posible que podra obtenerse si el proceso fuere reversible.
Sobre este postulado
se puede deducir que la eficacia o coeficiente de funcionamiento
de los ciclos
totalmente reversibles es 1 mientras que la de los ciclos
irreversibles ser siempre
mayor que 1.
En consecuencia, si un sistema cerrado evoluciona desde un
estado de equilibrio
inicial 1 a otro estado 2 se definir el trabajo mximo realizable
por la siguiente
ecuacin:
W12 = W (U1 TeS1) (U2 TeS2) J/kg.
donde:
Te = Temperatura de estado
U = Energa interna
S = Calor especifico
Es decir, que el trabajo utilizable viene expresado por la
diferencia de los valores
adoptados por la funcin UTeS en los estados extremos
considerados.
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De lo anterior es fcil deducir una nueva funcin de estado tal
que la diferencia
entre sus valores inicial y final de proceso coincida con el
trabajo mximo
realizable por el sistema; luego si hacemos = UTeS
tendremos:
donde 1 y 2 son los valores adoptados por la funcin o variable
extensiva
anotada = UTeS. Ntese bien que la funcin es funcin de estado y
tiene
dimensiones de energa y se denomina energa utilizable de un
proceso carente
de flujo o energa utilizable para un sistema cerrado.
Al integrar las anteriores funciones observaremos como el
trabajo mximo que
pueda obtenerse de un sistema que experimente una transformacin
1 a 2
coincidir con la disminucin que sufra la energa utilizable del
mismo.
Teniendo en cuenta que la energa utilizable tiene naturaleza de
tipo energtico,
resulta, al igual que con la energa interna (U) o la entalpa
(h), imposible definir su
valor absoluto en un determinado estado; a pesar de ello dado
que la energa
utilizable del sistema cuando se encuentra en equilibrio
termodinmico con el
medio es nula, es vlido referir su valor al de la funcin en las
condiciones
termodinmicas del medio exterior.
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Leccin 3: Refrigerantes
Un refrigerante es cualquier fluido que acta como agente de
enfriamiento,
absorbiendo calor de un foco caliente al evaporarse.
El refrigerante en una instalacin frigorfica debe tener las
siguientes
caractersticas:
- Calor latente de evaporacin alto: cuanto mayor sea su valor
menor cantidad de
refrigerante hay que utilizar en el proceso de refrigeracin para
obtener una
temperatura determinada.
- Presin de evaporacin superior a la atmosfrica: para evitar que
entre aire en el
circuito de refrigeracin, lo que acarreara el problema de que el
agua contenida
en el aire se solidificase y obturase algn conducto.
- Punto de ebullicin lo suficientemente bajo para que sea
inferior a la temperatura
de trabajo del evaporador.
- Temperaturas y presin de condensacin bajas: as se evitan
trabajar con
presiones de condensacin altas en el compresor lo que se traduce
en un
considerable ahorro tanto de energa como en el coste de la
instalacin.
- Inercia qumica: es decir que no reaccione con los materiales
que componen el
circuito ni con el aceite del compresor.
- Ha de ser inmiscible o totalmente miscible con el aceite del
compresor: la
solubilidad parcial da origen a problemas de depsitos de aceite
en el evaporador.
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- Debe de ser qumicamente estable: hasta el grado de no ser
inflamable ni
explosivo.
- Ha de ser soluble en agua: de esta forma se evita que el agua
libre pueda formar
cristales de hielo. Por este motivo los circuitos de
refrigeracin van provistos de
filtros deshidratantes.
- Debe ser no txico para el hombre.
- Debe tener un impacto ambiental bajo o nulo en el caso de ser
liberado por
posibles fugas.
- Debe ser fcilmente detectable por el olfato para poder
localizar las fugas que se
produzcan en el sistema.
- Debe ser barato.
Clasificacin de los refrigerantes
Los primeros refrigerantes utilizados por reunir varias de estas
caractersticas y
ser los nicos disponibles cuando aparecieron las primeras
mquinas de
produccin mecnica de fro (1867) fueron el amoniaco (NH3), el
dixido de
carbono (CO2)y el dixido de azufre (SO2). Pero estos
refrigerante presentaban
grandes problemas de toxicidad, explosin y corrosin en las
instalaciones de
modo que su utilizacin estaba restringida a usos
industriales.
Con excepcin del amoniaco todos estos refrigerantes han dejado
de usarse
siendo reemplazados por otros denominados freones que aparecen
en el mercado
a partir del ao 1928 y no presentan los inconvenientes de los
primeros.
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El amoniaco hoy en da se sigue empleando en instalaciones de
gran tamao
debido a que es el refrigerante conocido que tiene el efecto
frigorfico ms alto.
Es uno de los ms baratos y fciles de conseguir y tiene gran
estabilidad qumica.
Es inmiscible con el aceite, por lo tanto debe usarse un
separador de aceite en la
tubera de descarga del compresor hacia el condensador. Como
inconveniente: es
txico, algo inflamable y puede llegar a ser explosivo en grandes
concentraciones,
pero puede ser detectado fcilmente por el olor por lo que estos
inconvenientes
tiene poca importancia en industrias con alto nivel de
control.
Freones: Es un grupo de refrigerantes derivados de hidrocarburos
de bajo peso
molecular fundamentalmente derivados del metano y el etano en
los que alguno o
todos sus tomos de H se han sustituidos por halgenos normalmente
flor, cloro
y bromo. En funcin de su composicin estos refrigerantes pueden
clasificarse en
tres grupos: CFC (clorolfuorocarbonados), HCFC
(hidroclorofluorocarbonados) y
HFC (hidrofluorocarbonados).
CFC: son hidrocarburos totalmente halogenados, es decir, todos
sus hidrgenos
estn sustituidos por cloro y flor. Se caracterizan por ser gases
muy estables que
persisten en la atmsfera muchos aos y por tanto pueden llegar a
la estratosfera
donde destruyen la capa de ozono. Por este motivo dejaron de
fabricarse y usarse
a partir de 1995 segn lo acordado en el Protocolo de Montreal.
El Protocolo de
Montreal, sobre productos que destruyen la capa de ozono, es un
acuerdo
internacional adoptado en una conferencia diplomtica que tuvo
lugar en Montreal
(Canad) el 16 de septiembre