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• Janet Zuñiga Trelles

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UNIDAD DE APRENDIZAJE V: “SISTEMAS Y MÉTODOS DE CONGELACIÓN INDUSTRIAL DE ALIMENTOS”

Refrigeración Es la técnica para la remoción de calor de un cuerpo o sustancia para llevarlo a una temperatura menor generalmente a bajo de la del medio ambiente.

Refrigeración Mecánica Es la utilización de componentes mecánicos arreglados en un "sistema de refrigeración", con el propósito de extraer calor.

Refrigerantes Son compuestos químicos que nos permiten remover calor clasificándose en directos, indirectos, o primarios y secundarios.

Sistema de refrigeración mecánica

Fuente: Fellows, Peter. 1992

Sistema de refrigeración mecánica

Proceso de una Caloría Refrigerante R-12

Fuente: Alarcón, José. 1981

Evaporador En base a su uso los evaporadores pueden clasificarse en dos tipos. Evaporadores de expansión directa en los que el refrigerante se evapora en el serpentín; el serpentín se encuentra en contacto directo con el objeto o fluido que se desea enfriar. En los evaporadores de expansión indirecta se utiliza un fluido portador, agua o salmuera, que se enfría mediante el fluido refrigerante que se evapora en el serpentín; este fluido portador es el que se lleva hacia el objeto o fluido a enfriar.

Evaporador

Fuente: Singh, Paul. 2009

Evaporador

Evaporador

Fuente: Singh, Paul. 2009

Compresor Los tres tipos de compresores más habituales son: alternativo, centrífugo y rotatorio. Como su propio nombre indica, el compresor alternativo tiene un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de un cilindro

Compresor

Ciclo completo de un compresor alternativo

Fuente: Singh, Paul. 2009

Compresor Los compresores alternativos son los más utilizados; su capacidad varía desde una fracción de tonelada hasta 100 toneladas de refrigeración por unidad

Compresor

Los compresores centrífugos consisten en un impulsor con varias paletas girando a gran velocidad.

Compresor El compresor rotatorio consta de unas aspas que giran dentro de un cilindro.

Condensador La función del condensador en un sistema de refrigeración es transmitir calor desde el refrigerante hacia otro medio, tal como aire y/o agua. Al retirar calor del refrigerante gaseoso éste condensa dentro del condensador.

Válvula de expansión. Una válvula de expansión es esencialmente un aparato de medida que controla el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador. La válvula puede operarse manualmente o regularse en función de la presión o de la temperatura en otro punto del sistema de refrigeración.

Válvula de expansión. Los tipos más habituales utilizados en los sistemas de refrigeración son: (1) válvulas de expansión manuales, (2) válvulas automáticas de flotador de baja,

(3) válvulas automáticas de flotador de alta, (4) válvulas automáticas de expansión y

(5) válvulas de expansión termostática.

Válvula de expansión. válvulas de expansión manuales

Fuente: Singh, Paul. 2009

Válvula de expansión. válvulas automáticas de flotador de baja, válvulas automáticas de flotador de alta, condensador

Fuente: Singh, Paul. 2009

Válvula de expansión. válvulas automáticas de expansión

Fuente: Singh, Paul. 2009

Válvula de expansión. válvulas de expansión termostática.

Fuente: Singh, Paul. 2009

Presiones y temperaturas Todo aumento de temperatura da por resultado un aumento de presión en el refrigerante y viceversa, el descenso de temperatura da lugar también a un descenso de presión. A la inversa, el cambio de presión motiva e su vez un cambio de temperatura en igual relación de más o menos. De ello se deduce también que, cuanto más alta sea la temperatura del medio refrigerador en el condensador (aire o agua), mayor deberá ser la presión del gas comprimido.

Presiones y temperaturas de condensación. La temperatura de ebullición de cada refrigerante, varían de acuerdo a la presión atmosférica. Controlando la presión ejercida en el evaporador se obtendrán temperaturas mas altas o mas bajas.

Analizar el caso si se desea bajar a -18 °C en el evaporador con el refrigerante R-12, utilizando las tablas.

Presiones y temperaturas de evaporación. La temperatura ambiente circundante en los condensadores enfriados por aire o agua en los que se emplea este medio de enfriamiento, debe ser siempre menor a la existente dentro de los condensadores a fin de que pueda efectuarse la transferencia de calor latente absorbido por el refrigerante durante el proceso de evaporación.

Fuente: Fellows, Peter. 1992

Problema

Se tiene una cámara de refrigeración de alimentos en la ciudad de Piura, el refrigerante usado es R-12, la temperatura del refrigerante en el evaporador debe estar a - 4°C. Si la temperatura ambiente a partir de la 1:00 pm llega a 35°C en promedio. Se pide: - Calcular la presión en el evaporador

- Calcular la temperatura y la presión en el condensador, si se desea que la diferencia de temperatura entre el condensador y el equipo se 12°C

Refrigerantes

Refrigerantes

Un refrigerante es un producto químico líquido o gas, fácilmente licuable, que se utiliza para servir de medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina térmica, y concretamente en aparatos de refrigeración. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire.

Historia

En los años 1980 comenzaron las preocupaciones por la capa de ozono, los refrigerantes más usados eran los clorofluorocarbonos R-12 y R22. El primero era empleado principalmente para aire acondicionado de vehículos y para pequeños refrigeradores; el segundo para aire acondicionado, refrigeradores, y congeladores comerciales, residenciales y ligeros. Algunos de los primeros sistemas emplearon el R-11 por su bajo punto de ebullición, lo que permitía construir sistemas de baja presión.

Historia

Historia

La producción de R-12 cesó en Estados Unidos en 1995, y se planea que el R-22 sea eliminado en el 2010. Se está empleando el R-134a y ciertas mezclas (que no atentan contra la capa de ozono) en remplazo de los compuestos clorados. El R410a (comúnmente llamada por su nombre comercial Puron®) es una popular mezcla 50/50 de R-32 y R125 que comienza a sustituir al R-22.

Características de los refrigerantes

■ Punto de congelación. Debe de ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema, para evitar congelaciones en el evaporador. ■ Calor específico. Debe de ser lo más alto posible para que una pequeña cantidad de líquido absorba una gran cantidad de calor.

■ Volumen específico. El volumen específico debe de ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en las líneas de aspiración y compresión ■ Densidad. Deben de ser elevadas para usar líneas de líquidos pequeñas. ■ La temperatura de condensación, a la presión máxima de trabajo debe ser la menor posible.

Características de los refrigerantes ■ La temperatura de ebullición, relativamente baja a presiones cercanas a la atmosférica. ■ Punto crítico lo más elevado posible. ■ No deben ser líquidos inflamables, corrosivos ni tóxicos. ■ Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben ser miscibles en fase líquida y no nocivos con el aceite.

■ Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar también el motor del compresor, normalmente un motor eléctrico, por lo que deben ser buenos dieléctricos, es decir, tener una baja conductividad eléctrica.

Tipos Por su composición química ■ Los inorgánicos, como el agua o el NH3: Amoníaco ■ Los de origen orgánico(hidrocarburos y derivados):

■ Los CFC's, Clorofluorocarbonos, perjudiciales para la capa de ozono ■ Los HCFC's.Hidrocloroflurocarbonados

■ Los HFC's. ■ Los HC: Hidrocarburos (alcanos y alquenos) ■ Las mezclas, azeotrópicas o no azeotrópicas.

Tipos Por su grado de seguridad ■ GRUPO 1: no son combustibles ni tóxicos. ■ GRUPO 2: tóxicos, corrosivos o explosivos a concentraciones mayores de 3,5% en volumen mezclados con el aire.

■ GRUPO 3: tóxicos, corrosivos o explosivos concentraciones menores o iguales a 3,5% en volumen.

a

Tipos Por sus presiones de trabajo ■ Baja: ■ Media:

■ Alta: ■ Muy alta:

Tipos

Tipos

Tipos

CLASIFICACION

Refrigerantes comúnmente usados ■ El agua.

■ R124.

■ El amoníaco.

■ R134a.

■ El Glicol

■ R502.

■ R11.

■ R407C.

■ R12.

■ R410A.

■ R22.

■ R507.

■ R23.

■ R517.

■ R32. ■ R123.

Puros y Mezclas

Puros y Mezclas

Puros y Mezclas

Puros y Mezclas

Nomenclatura Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarizado con los números, así como con los nombres de los refrigerantes.

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Nomenclatura

Los nuevos refrigerantes HFC están sustituyendo a los CFC y HCFC: USO O SERVICIO

CFC/HCFC (prohibido)

HFC (sustituto)

Refrigeración Comercial y Doméstica

R-12 (CFC)

R-134A, R-409, R-401A, R-401B

Refrigeración y Congelación R-22 (HCFC) Comercial y Doméstica

R-407C

Transporte Refrigerado

R-500 (CFC)

R-401B

Cámaras de Enfriamiento Vitrinas de Súper Mercados Aplicaciones Industriales Transporte refrigerado

R-502 (CFC)

R-404A, R-408, R-402A

Por otra parte, el GWP o Global Warning Potencial mide la capacidad de una sustancia para producir efecto invernadero o de calentamiento global del planeta. Convencionalmente se ha establecido un valor de GWP para el CO2 =1 Todos los gases refrigerantes contribuyen al calentamiento de la tierra. A partir del Protocolo de Kyoto existen compromisos por parte de la Unión Europea y muchos países mas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los gases que pertenecen al grupo de los HFC (hidrofluorocarburos) contribuyen al efecto invernadero y al recalentamiento del planeta, debido a que tienen capacidad para absorber los rayos infrarrojos. Incluso son más severos que las emisiones de CO2 (Ej: R-134 tiene un GWP =1300) por lo que se usan sólo en circuitos cerrados.

Es necesario seguir regulando la producción de estos refrigerantes y establecer que refrigerantes se utilizarán en el futuro.

Los refrigerantes deben reunir ciertas características: Característica del refrigerante

Propiedades

Seguridad

No tóxico, no explosivo y no inflamable

No dañino al ambiente

- No dañino a la capa de ozono - Sin efecto invernadero - Fácil detección de fugas (por olfato) - Fácilmente desechable

Buenas propiedades físicas y termodinámicas

- Alto calor latente - Bajo volumen del vapor - Baja temperatura de congelación

Bajo costo

- Bajo costo por kilogramo - Alto radio calor latente /costo - Fácil disponibilidad

Funcionalidad

- Estabilidad química - No corrosivo

- GRUPO 1: No son combustibles ni tóxicos. Incluye todos los refrigerantes halogenados más utilizados. (R11,R12, R22, R113, R114, R500, R502) - GRUPO 2: Tóxicos, corrosivos o explosivos a concentraciones mayores de 3,5% en volumen mezclados con el aire. (Amoniaco, Anhídrido Sulfuroso (SO2), cloruro de metilo) - GRUPO 3: Tóxicos, corrosivos o explosivos a concentraciones menores o iguales a 3,5% en volumen. (Butano, Propano, Isobutano, Etano, Etileno, Propileno y Metano).

-Una pequeña cantidad de fluido absorbe gran cantidad de calor - Equipos mas pequeños (líneas de aspiración y compresión) - Evitar congelación en el evaporador Cuando el calor latente es alto, la masa del refrigerante circulando es pequeña y si el volumen específico del vapor es bajo, se tendrá un gran aumento en la capacidad y eficiencia del compresor, lo que disminuye el consumo de potencia y permite el uso de un equipo pequeño y mas compacto. - Que soporte repetidos cambios de estado - Que no ataque el material del sistema

CICLO TERMODINAMICO ESTANADAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR El ciclo de Carnot en una máquina a térmica ya nos es familiar desde los estudios de termodinámica. La máquina térmica de Carnot está representada esquemáticamente en la figura

CICLO TERMODINAMICO ESTANADAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR

CICLO TERMODINAMICO ESTANDAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR

Coeficiente de funcionamiento

Para poder evaluar el grado de bondad del funcionamiento de un sistema de refrigeración, debe definirse un término que exprese su efectividad. La idea del índice de funcionamiento del ciclo de refrigeración es la misma que la idea que se tiene prácticamente del rendimiento, es así que el índice de funcionamiento en el ciclo de refrigeración se llama coeficiente de funcionamiento, está definido por:

refrigeración útil coeficient e de funcionami ento  trabajo neto

CICLO ESTANDAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR El ciclo estándar de compresión de vapor se muestra en la figura. Los procesos que comprende el ciclo estándar de compresión son:

Diagrama de Mollier

Diagrama de Mollier ■ El refrigerante cambia de estado a lo largo del ciclo frigorífico. ■ Representaremos sobre el diagrama de p-h las distintas transformaciones que sufre el refrigerante y obtendremos importantes conclusiones a partir del mismo. Cada refrigerante tiene su propio diagrama P-h

Diagrama de Mollier En el eje vertical, se encuentra la presión absoluta a escala logarítmica. Cuidado con este tipo de escalas, ya que las distancias entre los distintos puntos no son iguales como en una escala decimal.

Diagrama de Mollier En el eje horizontal se representa la entalpía específica (h) en kJ por kg de refrigerante (Kcal/kg, BTU/lb). La entalpía podemos definirla como la cantidad de calor que posee el refrigerante en un estado determinado

Diagrama de Mollier En el diagrama P-h se distinguen tres zonas bien diferenciadas que se corresponden con distintos estados físicos del refrigerante y que quedan delimitadas por la curva de Andrews: ■ Zona de vapor, situada a la derecha de la curva de Andrews ■ Zona de líquido y vapor, situada en el interior de la curva de Andrews

■ Zona de líquido, situada a la izquierda de la curva de Andrews

Diagrama de Mollier

LÍNEAS DEL DIAGRAMA DE MOLLIER

EL CICLO FRIGORÍFICO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER

Para dibujar el ciclo frigorífico sobre el diagrama P-h partiremos de una instalación elemental ideal (sin pérdidas de carga) y sobre la que realizaremos unas mediciones: ■ Presión de baja: 2 bar ■ Presión de alta: 8 bar ■ Temperatura de aspiración: 10ºC ■ Temperatura a la entrada de la válvula de expansión: 30ºC ■ Refrigerante: 134a

■ Para dibujar el ciclo podemos comenzar por cualquier punto de la máquina. ■ En este caso comenzaremos por la línea de aspiración, aunque el procedimiento siempre es el mismo y se basa en buscar la intersección entre dos líneas del diagrama que representen los datos disponibles para el punto de la máquina que hubiésemos seleccionado. Los datos que conocemos para la línea de aspiración son la presión y la temperatura.

■ En la aspiración del compresor hemos medido una presión de 2 bar (manométrica). Sin embargo, en el gráfico vienen representadas las presiones absolutas, por lo que debemos pasar la presión relativa a absoluta. ■ Por tanto, su presión será de 3 bar. Asimismo, la temperatura en ése punto es de 10ºC.

■ Localizamos en el diagrama el punto que tiene una presión absoluta de 3 bar y una temperatura de 10 ªC .

■ Ése punto, que llamaremos 1, se encuentra sobre la intersección de la isoterma de 10ºC y la isobara de 10 bar.

■ Situado el punto correspondiente a la aspiración del compresor, realizaremos ahora el proceso de compresión. ■ El proceso de compresión se supone isentrópico y a lo largo del mismo el refrigerante aumenta su presión hasta la de descarga. ■ Para localizar el punto correspondiente a la descarga (punto 2) dibujamos una línea isentrópica desde el punto 1 hasta la isobara correspondiente a la presión de descarga

■ Para localizar el punto correspondiente a la descarga (punto 2), dibujamos una línea isentrópica desde el punto 1 hasta la isobara correspondiente a la presión de descarga. ■ La presión de descarga es de 8 bar (presión relativa), y la pasamos también a presión absoluta, por lo que su valor será de 9 bar.

■ Finalizada la compresión del refrigerante llega el proceso de condensación. ■ El gas, que se encuentra a una temperatura elevada, comienza a enfriarse en el condensador, cediendo calor sensible y disminuyendo su temperatura hasta la que corresponda al cambio de estado a la presión de 9 bar (35 °C aproximadamente).

■ Como hemos supuesto que no existen caídas de presión, este proceso se realiza sobre la isobara de 9 bar

■ El refrigerante se condensa y se enfría hasta la temperatura correspondiente a la entrada de la válvula de expansión. ■ Este punto se localiza sobre la isoterma correspondiente a 30 °C y la isobara de 9 bar y lo llamaremos punto 3.

■ Después de la condensación llega el proceso de expansión. ■ Este proceso se supone adiabático, es decir, durante la expansión del refrigerante una parte de él se evapora absorbiendo calor del resto del refrigerante que continua es estado líquido, disminuyendo de esa forma su temperatura y presión

■ La expansión se produce siguiendo una línea adiabática o isoentálpica desde el punto 3 hasta el punto 4, que coincide con la intersección de la adiabática que pasa por el punto 3 y la isobara correspondiente a la presión de evaporación (3 bar).

■ Finalmente el proceso de evaporación, que al producirse a presión constante de (recordemos que durante el cambio de estado la presión y temperatura no cambian) se desarrollará a lo largo de la isobara correspondiente a la presión de baja desde el punto 4 hasta el punto 1.

■ A medida que se produce la evaporación va disminuyendo la cantidad de líquido en el evaporador, aumentando simultáneamente la cantidad de vapor hasta que alcanzamos la curva del vapor saturado. ■ A partir de ese momento, la evaporación ha concluido, y si aún posible absorber calor, la temperatura del refrigerante comenzará a aumentar hasta alcanzar la aspiración del compresor (punto 1)

■ El ciclo frigorífico quedará finalmente de ésta forma:

Análisis de los procesos ■ Proceso de compresión (1-2)

Donde Q=0 por ser la compresión adiabática h1  Q  h2  W

h1  Q  h2  W  W  h2  h1 El signo (-)sig. Trabajo entregado al sistema

Proceso de condensación (2-3) Calor rechazado

Donde W=0

Q  h3  h2 El calor h3-h2 es negativo, lo que expresa que el calor es cedido por el refrigerante. El valor del calor cedido se necesita para el cálculo de las dimensiones del condensador y del caudal necesario del líquido refrigerante en el condensador.

Proceso de expansión (3-4)

h3  Q  h4  W Donde: Q=0 y W=0

h3  h4 Proceso a entalpía constante.

Este proceso se realiza en la válvula de expansión termostática en un sistema comercial e industrial.

Proceso de evaporación (4-1) h4  Q  h1  W

Donde W=0

Q  h h

Efecto refrigerante.- El efecto refrigerante 1 4es el calor puesto en juego en el proceso 4-1. ER = h1 - h4

Coeficiente de funcionamiento El coeficiente de funcionamiento o de operación es: ER h1  h4 COP   w h2  h1

Caudal en masa.- el caudal del refrigerante puede calcularse dividiendo la capacidad de refrigeración del sistema en kcal/min por Tn entre el efecto refrigerante. m 

Cap(Tn) 50.4 (kCal / min Tn) ER (kCal / kg)

Potencia mecánica del compresor Es el trabajo de compresión por el caudal de refrigerante.

 W  fe N m Donde: N= Potencia requerida por el compresor HP W = trabajo de compresión kCal/kg

m = caudal en masa kg/min fe = factor de conversión (0.09352)

HP

Ejemplo Un ciclo estándar de compresión de vapor desarrolla 0.75 Tn de refrigeración usando R-22 como refrigerante y funcionando con una temperatura de condensación de 40 ºC (104°F) y una temperatura de evaporación de -5 ºC (23°F) Calcular: a) El efecto refrigerante en kCal/kg b) El coeficiente de funcionamiento c) El caudal en masa de refrigerante, en kg/min d) La potencia necesaria del compresor, en HP

Intercambiador de calor

En la práctica, los sistemas de refrigeración utilizan un intercambiador de calor, este intercambiador de calor subenfría al líquido que sale del condensador utilizando vapor procedente del evaporador.

Zona de subenfriamiento

Corresponde a la zona entre la salida del condensador y la entrada a la válvula de expansión. En el diagrama p-h esta es: h3-h4

Zona de sobrecalentamiento Corresponde a la zona entre la salida del evaporador y la entrada al compresor. En el diagrama p-h esta es h1-h6.

Sistemas de presiones múltiples El sistema de presiones múltiples se distingue de la presión única en que el sistema de refrigeración trabaja con dos o mas “bajas presiones” Por ejemplo, en una lechería donde el evaporador funciona a - 35 ºC para endurecer el helado, mientras que otro evaporador trabaja a 1 ºC para enfriar la leche, este sistema de refrigeración es de presiones múltiples.

Separación de vapor saturado Con esta técnica se obtiene un ahorro de la potencia necesaria en la refrigeración si el vapor saturado que se produce al expandir el líquido refrigerante se separa y se comprime antes de la expansión completa.

Enfriamiento intermedio con refrigerante líquido En este sistema de dos etapas de compresión se efectúa el economizado en trabajo por que reduce el trabajo de compresión.

Dos evaporadores y un compresor Ejemplo una empresa necesita refrigerar a baja temperatura en un proceso industrial, y que debe también proporcionar aire acondicionado a sus oficinas.

Sistema en cascada En la figura se muestra un ciclo en doble cascada en el que dos ciclos de refrigeración por compresión de vapor colocados en serie comparten un intercambiador de calor en contracorriente.

Ejemplo Un sistema de refrigeración de dos etapas, dos compresores y un depósito separador de líquidovapor de inyección total, el refrigerante es R-134a (tetrafluoretano) debe pasar por el evaporador a - 32 ºC, la temperatura de condensación es de 40 ºC, si la capacidad de refrigeración tiende a 25 Tn. Calcular: a) Ciclo estándar de compresión mecánica simple b) La presión intermedia y la potencia total de compresión c) El coeficiente de operación d) Dibuje el diagrama de flujo y el diagrama de presión entalpía

Diagrama de flujo y diagrama p-h