Módulo 2: INSTALACIONES TÉRMICAS

U.D.: 7. PRODUCCIÓN FRIGORÍFICA

Podemos decir que la conservación de la vida es el primero de los objetivos de los seres vivos, asimismo, sabemos que las variaciones climatológicas estacionales son mayores de las que pueden soportar la mayoría; motivos que obligan a una adaptación al medio, no siempre posible, exigiendo a los mecanismos fisiológicos de adaptación un sobreesfuerzo que produce malestar y reduce las condiciones de salubridad.

Aunque las personas han buscado, siempre, protegerse de las situaciones extremas del medio y adecuarlas a las mejores condiciones de habitabilidad, hasta épocas relativamente recientes no ha tenido la posibilidad de controlarlas. Con las instalaciones de climatizan, calefacción y refrigeración, se pueden conseguir las condiciones idóneas de bienestar físico y salubridad para el desarrollo de su actividad.

7.1.- PRODUCCIÓN FRIGORÍFICA.

Podemos definir el frío como, la ausencia relativa de calor. Cuando decimos producir frío, realmente queremos decir que estamos reduciendo la cantidad de calor. Llamamos refrigeración a un proceso mediante el cual extraemos calor de una sustancia para reducir su temperatura.

Todos los procesos se basan en la transferencia de energía del cuerpo que queremos refrigerar a otro que está a menor temperatura que nos sirve de transporte de evacuación. Los más usados y conocidos son:

• Sistemas evaporativos o abiertos.
• Sistemas de compresión mecánica.
• Sistemas de absorción
  

7.1.1.- Sistemas evaporativos o abiertos.

Utilizan como mecanismo de refrigeración, la evaporación de parte del refrigerante, que toma el calor de cambio de estado (calor latente de vaporización), del resto de la masa, enfriándola, el refrigerante evaporado se pierde en la atmósfera. Por razones obvias no se pueden utilizar sustancias que puedan ser nocivas para las persona. El refrigerante universal en las instalaciones abiertas es el agua.

Es el sistema natural de refrigeración del que tenemos múltiples ejemplos en la naturaleza y en la vida ordinaria de las personas; el mecanismo que emplea el cuerpo para mantener la temperatura, la evaporación del sudor; el botijo, el riego de terrazas, el baño, etc. Son aplicaciones de este principio. Como sistemas específicos de refrigeración consideraremos los dos más utilizados en las instalaciones térmicas:

• Acondicionadores evaporativos
• Torres de enfriamiento.
• Condensadores evaporativos.

7.1.1.1.- Acondicionadores evaporativos.

Son aparatos que se emplean para bajar las temperaturas de locales, consisten en un panel humidificado constantemente por agua a través del cual se hace pasar una corriente de aire Fig. 27111A y Fig. 27111B. El agua se evapora absorbiendo calor del aire que pasa por el panel, enfriándolo.

El vapor de agua producido se incorpora al medio ambiente cuya humedad relativa aumenta. Este sistema solo se puede utilizar en contados casos donde no la humedad no resulte perniciosa para la salud o los procesos de trabajo.

En el caso de no recircular el aire del ambiente, introduciendo siempre aire exterior, se reducen los inconvenientes, pudiendo conseguirse hasta 10 ºC de bajada de temperatura, siempre con una humedad alta.

Fig. 27111A - Acondicionadores evaporativos

Fig. 27111B - Acondicionadores evaporativos

7.1.1.2.- Torres de refrigeración.

Las torres de refrigeración, también llamadas torres de enfriamiento, se instalan, entre otras aplicaciones, para disipar a la atmósfera el calor de condensación de los equipos frigoríficos condensados por agua.

El proceso consiste en circular el agua caliente, procedente de los condensadores, por un entramado o relleno, por el que fluye, en sentido contrario una corriente de aire. Podemos decir que estamos ante un intercambiador de calor con un circuito de agua (primario), que cede calor a otro, circuito de aire (secundario). La transferencia de energía se produce, como hemos dicho anteriormente, mediante la evaporación de un parte del agua circulada. Ver Fig. 27111A, 27111B y 27112A.

El enfriamiento sufrido por el agua en una torre de refrigeración se basa en la transmisión combinada de masa y calor al aire que circula por el interior de la torre.

El agua entra siempre por la parte superior y es distribuida de tal forma que establezca el mejor contacto posible con el aire atmosférico que asciende procedente de la parte inferior de la torre. Para lograr este efecto el agua se reparte uniformemente, con ayuda generalmente de unos pulverizadores; sobre un relleno que aumenta el tiempo y la superficie de contacto entre ambos fluidos.

Fig. 27112A - Torres de refrigeración

En condiciones normales de funcionamiento, este contacto conduce a una evaporación de parte del agua (aproximadamente un 1 % del caudal total de agua por cada 7 ºC de refrigeración). Como el agua debe absorber calor para pasar de líquido a vapor a presión constante, este calor se toma del líquido restante. De esta manera, el calor de evaporación del agua a la presión atmosférica se transfiere del agua de refrigeración al aire atmosférico (calor latente). El resto del calor transmitido se debe a la diferencia de temperatura entre los dos fluidos (calor sensible).

El calor latente supone frecuentemente más del 90 % del calor total transmitido.

Atendiendo al modo de contacto entre las dos fases, aire y agua, las torres de refrigeración se clasifican en:

Torres a contracorriente: cuando los flujos de aire y agua son paralelos, ascendente de aire y descendente de agua.

Fig. 27112B - Torres de a contracorriente

Torres de flujo cruzado: cuando las corrientes son transversales, descendiente del agua y lateral de aire.

Fig. 27112C - Torres de flujo cruzado

Atendiendo al modo en que circula el aire en el interior de la torre, se clasifican en:

Torres de tiro natural: cuando el aire es inducido a través de la torre debido a la diferencia de densidad existente entre el aire húmedo y caliente del interior de la torre, y el aire atmosférico exterior más frío y por consiguiente más denso.

Fig. 27112D - Torres de tiro natural

Torres de tiro mecánico: cuando el aire es inducido o forzado a circular por la torre por medio de ventiladores.

Fig. 27112E - Torres de tiro mecánico

Fig. 27112F - Torres de refrigeración

7.1.1.3.- Condensadores evaporativos.

Si el relleno de la torre de refrigeración lo sustituimos por la batería de condensación de una unidad frigorífica, por la que circula el refrigerante, unido por tuberías frigoríficas a los componentes de la unidad, hemos constituido en condensador evaporativo. Fig 7.11.

Fig. 27113A - Condensadores evaporativos

7.1.2.- Sistemas de compresión mecánica.

El sistema más generalizado actualmente para la producción de frío es el llamado de Compresión mecánica, consistente en un circuito cerrado en el que se somete un fluido (gas frigorígeno) a sucesivas situaciones de cambios de estado, mediante compresión y expansión, transmitiendo y absorbiendo el calor producido con el ambiente y el medio a refrigerar. Es el llamado Ciclo frigorífico que se representa en la Fig. 2712A.

Realizamos un transporte de calor, bombeamos, desde una sustancia que se pretende enfriar (foco frío) a otra que está a más temperatura (foco caliente) donde se disipa.

Las cuatro fases que conforman el circuito frigorífico y sus componentes principales son:

1 - Condensación
2 - Expansión
3 - Evaporación
4 - Compresión

Fig. 2712A - Esquema básico de un Circuito frigorífico

CUADRO SINOPTICO DEL CICLO FRIGORÍFICO - www.camba.com

Componente	Entrada	Salida	Proceso	Observaciones
Condensador	Refrigerante en estado gaseoso. Alta temperatura. Alta presión.	Refrigerante en estado liquido. Alta temperatura. Alta presión.	- El aire de entrada al condensador se calienta. - El refrigerante se licúa. - El refrigerante cede al aire del condensador toda su energía: la que absorbió en el evaporador (es decir, la carga térmica del local), más la comunicada por el compresor.	- Se precisa un ventilador que aspire el aire del exterior, lo haga circular a través del condensador y lo lance de nuevo al exterior. - Hay que evitar la recirculación de este aire. - Aquí se produce un efecto no útil: enviar aire caliente a la atmósfera.
Dispositivo de expansión	Refrigerante en estado liquido. Alta temperatura. Alta presión .	Refrigerante en estado prácticamente liquido. Baja temperatura. Baja presión.	- El dispositivo de expansión hace pasar al refrigerante de una presión alta a una baja. - Reduce su temperatura.	Sirve para alimentar el evaporador de fluido refrigerante.
Evaporador	Refrigerante en estado prácticamente liquido. Baja Temperatura. Baja presión.	Refrigerante en estado gaseoso. Baja temperatura. Baja presión.	-El aire de entrada al evaporador, mezcla de aire de retorno y de ventilación, se enfría y deshumidifica. -El refrigerante en estado liquido se transforma en refrigerante gaseoso. -El aire cede la carga del local al refrigerante.	- Se precisa un ventilador que aspire el aire de mezcla, lo pasa a través del evaporador y lo envía de nuevo al local frío y deshumidificado. - Se produce una recirculación del aire: aire de mezcla, evaporador, aire de impulsión, aire de mezcla. - Aquí se produce el efecto útil de enfriar el aire.
Compresor	Refrigerante en estado gaseoso. Baja temperatura. Baja presión.	Refrigerante en estado gaseoso. Alta temperatura. Alta presión.	- El compresor comprime el gas, disminuyendo su volumen y aumentando la presión y temperatura del gas.	- El compresor requiere un motor eléctrico que consume energía de la red. - El gas refrigerante transporta la carga térmica del local y la energía que le comunica la compresor.
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7.1.2.1.- Compresión.

El compresor aspira los gases que se han producido en el evaporador, aumentando su temperatura, y descargándolo, a alta presión, al condensador.

Para conseguir el aumento de temperatura y presión requeridos es necesario suministrar energía al elemento que realiza el trabajo W (compresión). Habitualmente este aumento de presión y temperatura se realiza por compresión mecánica, consiguientemente reduciendo su volumen.

Una característica importante de los compresores es el llamado índice de compresión, que está relación que existe entre las presiones de aspiración y descarga.

Fig. 27121A- Funcionamiento del compresor

Teóricamente, la potencia que es necesario suministrar al compresor, será la diferencia de las entalpias del fluido en la aspiración y la descarga.

W (vatios) = g (Kg/s) · Δiw (Julios)

Teniendo en cuenta las pérdidas que se producen, la potencia deberá ser mayor.

El compresor es el responsable de la circulación del fluido en todo el ciclo.

Fig. 27121B- Compresor - http://recursos.cnice.mec.es

7.1.2.2.- Condensación.

El gas comprimido y recalentado es impulsado hacia el condensador en el que el refrigerante se desprende de calor, se satura y condensa, sigue perdiendo calor hasta la total licuefacción.

El condensador es un intercambiador de calor entre el fluido frigorífico y otro fluido al que transmite calor.
Fig 7.15 Y 7.16.

Fig. 27122A- Funcionamiento del Condensador

Fig. 27122B- Condensador - http://recursos.cnice.mec.es

La temperatura de condensación habitual en las instalaciones de climatización es 40ºC. La temperatura del medio ambiente (aire) estimada será de 35ºC. Como los gases salen del compresor a temperaturas superiores; alrededor de 90ºC, se establece una transmisión inicial de calor sensible, hasta que se enfrían hasta la temperatura de condensación, posteriormente se siguen enfriando produciéndose el cambio de estado y evacuando el calor latente. La cantidad de calor evacuada por un condensador Q_c, es:

Q_c (W, vatios) = V · C_e · P_e · Δt_c

7.1.2.3.- Expansión.

Se procede a una disminución de la presión del fluido para facilitar su posterior evaporación. Tiene lugar en el expansor, dispositivo o sistema de expansión.

Fig. 27123A- Funcionamiento del Expansor

Fig. 27123B- Expansor - http://recursos.cnice.mec.es

7.1.2.4- Evaporación

El evaporador, que estará instalado en el interior del recinto que se pretende refrigerar, es el componente donde el líquido refrigerante vaporiza absorbiendo energía, enfriando el ambiente. Fig. 27124A y Fig. 27124B

Fig. 27124A- Evaporador

Fig. 27124B- Evaporador - http://recursos.cnice.mec.es

7.1.2.5.- Diagrama de Mollier

También llamado diagrama p-i (presión-entalpía).

Fig. 27125A- Diagrama de Mollier / Presión - Entalpía

El diagrama de Mollier es la representación gráfica de la relación que existe entre los diferentes parámetros que definen las propiedades de un fluido frigorígeno en su trayectoria dentro del ciclo frigorífico. Cada fluido tiene su particular diagrama P- i.

En él se representan los siguientes parámetros:

• 1.- Presión absoluta (Kg/cm² ó bares) (Presión relativa o manométrica + presión atmosférica). Líneas isobaras.
• 2.- Entalpia (Kcal/Kg ó KJ/Kg). Líneas isoentalpicas.
• 3.- Temperatura (ºC). Líneas isotermas.
• 4.- Volumen específico (m³/Kg). Líneas isócoras.
• 5.- Entropía (Kj /kg · K). Líneas isoentrópicas.
• 6.- Calidad de líquido. Líneas con igual título de vapor.
  

En el diagrama distinguimos:

• Punto crítico. Es el límite, a partir del cual, por mucho que se aumente la presión no es posible condensar el gas.
• Curva de saturación. En todo diagrama P-i de un fluido existe una curva característica denominada Curva de saturación que separa las zonas donde solo encontramos líquido (zona de líquido subenfriado), o solo vapor (zona de vapor recalentado), de la zona en que tenemos líquido y vapor en diferentes proporciones.
• Líneas de calidad de líquido o título de vapor. Son las líneas, dentro de la zona de condensación, en que la proporción de líquido y vapor permanece constante. Decimos que el título es 0,2 cuando la mezcla, en todos los puntos de esa línea, es de un 20 % de vapor y un 80 % de líquido.

Bajo estas líneas, en la Fig. 27125C tenemos una representación relativa de un ciclo frigorífico siguiendo el diagrama de Mollier y de los componentes de la instalación. Suponiendo iniciado el ciclo en el punto A, a la salida del condensador, repasamos los procesos termodinámicos que se producen:

1.- Expansión adiabática (A' – B) El fluido se expansiona desde la presión de condensación a la presión de evaporación, aumentando su volumen. La temperatura desciende desde la fuente caliente a la fuente fría sin intercambio de calor con el exterior.

2.- Evaporación isoterma e isobara (B-C`). En el evaporador el líquido, a baja presión y baja temperatura, vaporiza, tomando el calor necesario de cambio de estado del ambiente que se pretende refrigerar. El calor absorbido por unidad de tiempo será:

Fig. 27125B- Ciclo de refrigeración

Fig. 27125C- Ciclo de refrigeración

3.- Compresión adiabática (C'- D). El gas se comprime, desde la presión de evaporación a la presión de condensación, disminuyendo su volumen. La instalación se supone perfectamente aislada por lo que el trabajo mecánico exterior suministrado se emplea en el aumento de la temperatura. La potencia (trabajo por unidad de tiempo) del compresor será:

Fig. 27125D- Ciclo de refrigeración

4.-Condensación isotérmica (D - A'). El gas, caliente y a presión alta, condensa, evacuando calor al medio a través del condensador, dentro de la curva de saturación.

El calor librado por el condensador (potencia) es:

Fig. 27125E- Ciclo de refrigeración

7.1.3.- Sistemas de absorción

Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias. El agua y el bromuro de litio absorben, con facilidad, los vapores de amoniaco y agua, respectivamente.

Fig. 2713A- Sistemas de absorción

Los ciclos de refrigeración por absorción son parecidos a los de compresión mecánica, en los que sustituimos el compresor por un sistema, que realiza la misma función (absorbedor-generador). En síntesis el funcionamiento es el siguiente:

1.- El vapor del fluido refrigerante, agua o amoniaco, procedente del evaporador, donde ha tomado el color de cambio de estado, llega al absorbedor donde serán absorbidos por el bromuro de litio o agua (absorbente) en un proceso de disolución endotérmica, que requiere refrigeración externa para mantener la solubilidad.

2.- La solución formada en el absorbente, rica en refrigerante (solución fuerte), es bombeada con presión al generador o concentrador, que es un intercambiador de tipo inundado, al que se aporta energía calorífica.

3.- En el concentrador se produce la ebullición del refrigerante que se separa del absorbente. El flujo de vapores destilado pasa, por diferencia de presión, al condensador.

4.- En el condensador se produce la licuefacción del refrigerante evacuando calor al medio, normalmente agua.

5.- -El refrigerante, líquido, se canaliza hacia la cámara del evaporador, por diferencia de presión o por gravedad donde, igual que en el caso de presión mecánica, vuelve a vaporizarse, cerrando el ciclo.

6.- La solución que queda en el concentrador, pobre en refrigerante (solución débil) vuelve al absorbedor a través de un elemento de expansión.

Cuando se utiliza el amoniaco como refrigerante, y el agua como absorbente, se trabaja a presiones similares a las del ciclo de compresión mecánica, pudiendo conseguirse temperaturas bajo 0ºC.

El sistema de absorción se utiliza en instalaciones de acondicionamiento superiores a 300.000 frig/h.

Este sistema tiene las siguientes ventajas:

• Al utilizarse el calor como fuente de energía principal, permite la el aprovechamiento de energías residuales.
• Permite el uso de energías renovables, solar, bomba de calor.
• Mantenimiento más fácil y barato.
• Reducción de las cargas eléctricas.
• Mejor comportamiento medioambiental.

Actualmente se comercializan unidades de refrigeración que utilizan el ciclo amoniaco-agua. El calor se les suministra mediante quemadores de gas.

7.2.- BOMBA DE CALOR.

Llamamos bomba de calor a una máquina térmica que transfiere calor de una fuente fría a otra que está más caliente.Existe una gran variedad de bombas de calor; pudiendo clasificarse de diferentes maneras.

Según el proceso:

• De impulsión mecánica. Por motor eléctrico, de gas, diésel, etc.
• Bombas de calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor por Absorción)

Según la naturaleza del foco frío y foco caliente:

• Agua - Aire
• Agua - Agua
• Aire - Aire
• Aire - Aire
• Tierra - Aire
• Tierra - Agua

Según su construcción:

• Compactas. Todos los elementos están dentro de la misma carcasa.
• Split o partidas. Formadas por dos unidades separadas
• Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varios interiores.

Por su funcionamiento:

• Reversibles. Pueden funcionar tanto en ciclo de refrigeración como de calefacción.
• No reversibles. Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.
• Termofrigobombas. En las que se aprovecha tanto la producción frigorífica como la de calefacción.
  

Funcionamiento de una bomba de calor.

Las bombas de calor que nos encontraremos con más frecuencia, son las de ciclo de compresión mecánica, aire – aire y reversibles; su funcionamiento es el descrito al estudiar los ciclos de compresión mecánica para producción de frío.

Tienen la particularidad de poder invertir las funciones del evaporador y el condensador según pretendamos que calienten o enfríen el mismo local, en invierno y verano, respectivamente. Fig. 272A, Fig. 272B, Fig. 272C, Fig. 272D.

Como particularidades de esta máquina, que debe funcionar todo el año tenemos:

• Necesitan una válvula de inversión de ciclo (4 vías)
• El dispositivo de expansión debe realizar su función en los dos sentidos.
• El evaporador y el condensador invertirán sus funciones según el ciclo a realizar.
• Necesitarán un sistema de descarche.
• Existirá un deposito de acumulación en la aspiración.
• Se instalará un calentador en el carter.
• El compresor utilizado deberá poder trabajar a bajas presiones.

Fig. 272A- Bomba de Calor. CICLO DE REFRIGERACIÓN

Fig. 272B- Bomba de Calor. CICLO DE CALEFACCIÓN

Fig. 272C- Bomba de Calor. CICLO DE CALEFACCIÓN / REFRIGERACIÓN

Fig. 272D- Válvula de inversión de ciclo de 4 vías

Componentes principales de una bomba de calor.

1.- Compresor.
2.- Condensador.
3.- Evaporador.
4.- Válvula de inversión. Es el elemento diferenciador de una bomba de calor reversible. Válvula de 4 vías que invierte la circulación del fluido refrigerante en los intercambiadores interior y exterior.
5.- Acumulador de succión. Depósito instalado entre la válvula inversora y la aspiración del compresor que tiene por misión impedir que llegue refrigerante líquido el compresor.
6.- Sistema de expansión. Tiene que funcionar en los dos sentidos de la circulación del fluido. En instalaciones pequeñas, que realizan la expansión mediante un tubo capilar, no presenta problema alguno, en grandes instalaciones de realiza con sistemas controlados termostáticamente.
7.- Equipo de descarche. En instalaciones que funcionan en invierno, para producir calor, en las unidades exteriores existe la posibilidad de que se formen capas de hielo, que actúan de forma muy negativa sobre la instalación y su rendimiento, de ahí que resulte imprescindible que las instalaciones tengan un dispositivo que contrarreste este efecto. Suelen ser resistencias controladas por termostatos o temporizadas o inversiones del ciclo temporales.

7.3.- FLUIDOS REFRIGERANTES.

Fuido refrigerante es el utilizado en la transmisión del calor, que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a bajas presiones y temperaturas y lo cede a temperaturas y presiones elevadas. Este proceso tiene lugar generalmente con cambios de estado del fluido.

Los fluidos refrigerantes deben tener, en el mayor grado posible, las siguientes cualidades:

1.- Calor latente de vaporización. Debe ser alto, para conseguir el máximo de energía de intercambio, necesitando menor cantidad de refrigerante en el proceso.
2.- Punto de ebullición. Será siempre menor que la temperatura que se pretende conseguir en el local a refrigerar.
3.- Temperatura y presiones de condensación. Deberán ser bajas para que se pueda condensar a temperaturas y presiones normales.
4.- Temperatura y presión crítica. Se desea que sea alto.
5.- Volumen específico. Mejor cuanto más bajo. Ocupa menos espacio.
6.- Compatible con el aceite lubricante.
7.- Anticorrosivo. No deben atacar a los metales de la máquina.
8.- Respetuosos con el medio ambiente.
9.- No tóxicos.
10.- No deben ser inflamables ni explosivos.

Los refrigerantes se clasifican según su composición:

CFC (Clorofruorcarbonados), tienen Cloro, flúor y Carbono (R-11, R-12... )

HCFC (Hidro- Clorofluorcarbonados), compuestos por Hidrógeno, Cloro, Flúor y Carbono. (R-22)

HFC (Hidrofluorcarbonados), formados por Hidrógeno, Flúor y Carbono (R-134-A...)

La composición de los gases refrigerantes así como, los usados en otras aplicaciones en las que puedan quedar libres, como los aerosoles empleados en cosmética, tienen un efecto destructivo sobre la capa de ozono que filtra los rayos ultravioletas y nos protege de un exceso de radiaciones solares. Por este motivo la se ha restringido su uso buscándose soluciones menos agresivas con el medio ambiente.