diseño de un condensador de coraza y tubos

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICAUNIDADAZCAPOTZALCO

DISEO DE UN CONDENSADOR DE CORAZA Y TUBOS

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

INGENIERO MECNICO

PRESENTA: OSCAR DANIEL VILLASANA VILLAGOMEZ

ASESORES:

M. EN C. ALFONSO HERNNDEZ ZIGA

ING. FERNANDO VERGARA CAMACHO

MXICO, D.F. 2010

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

TESIS Y EXAMEN ORAL QUE PARA OBTENER El TTULO DE INGENIERO MECNICO DEBERA DESARROllAR EL C.: OSCAR DANIEL VILLASANA VILLAGOMEZ

"DISEO DE UN CONDENSADOR DE CORAZA Y TUBOS"

En la actualidad los sistemas de aire acondicionado han tomado gran auge en la mayora de los estados del pas debido a sus caractersticas climticas o bien forman parte de grandes construcciones o lujosos condominios y parte fundamental de un equipo de acondicionamiento de aire es el condensador el cual es su soporte principal al momento de efectuar su operacin, de aqu la importancia de disear un condensador de coraza y tubos con caractersticas de construccin que aseguraran la vida til de todo el sistema.

EL TEMA COMPRENDER LOS SIGUIENTES PUNTOS: 1. INTRODUCCiN. 2. GENERALIDADES. 3. SELECCiN DEL TIPO DE CONDENSADOR. 4. DISEO MECNICO. s, TABLAS y GRFICAS.

Mxico , D. F., a 22 de Octubre del 2009. \\,\Gt NIER/4

AGRADECIMIENTOS.

Primero, quiero darle las gracias a usted, por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazn e iluminar mi mente y por haber tenido el placer de vivir y conocer a aquellas personas que han sido mi soporte y compaa durante todo el periodo de estudio. Gracias Dios. A mi Madre, a mi Padre por su amor incondicional, paciencia y por su cario, comprensin y apoyo sin medida. Gracias por guiarme sobre el camino de la verdad y que me permiten saber que todo se puede lograr por difcil que parezca. Que desde que era pequeo me han guiado y que han estado conmigo en los momentos en que ms los he necesitado. Yo se que sus oraciones han sido escuchadas. Gracias por los consejos que siempre me dieron y por preocuparse del desarrollo de esta Tesis. Todo mi trabajo va dedicado a ustedes con mucho amor y respeto. A mis hermanos, Lizeth, Anette, Jorge y Javier por que su amor, optimismo, buen humor, su ejemplo, su apoyo y sus palabras de aliento han sido vitales durante toda mi formacin profesional. Adems de ser mis mejores amigos, me han mostrado lo bello de la vida. Gracias por todo. A Vanessa, que ha sido pilar en mi vida, ya que me ha dado su amor a lo largo de estos aos, su ayuda, y convivencia. Por tu apoyo, compresin y entusiasmo. Gracias mi vida.

NDICE Pg. INTRODUCCION 1 CAPITULO I GENERALIDADES 4 1.1 Breve Historia de la Refrigeracin 5 1.2 Tipos de Refrigeracin 10 1.2.1 Refrigeracin Domestica 1.2.2 Refrigeracin Comercial 1.2.3 Refrigeracin Industrial 1.2.4 Refrigeracin para Aire Acondicionado 1.2.5 Refrigeracin Marina 1.3 Sistemas de Refrigeracin 12 1.3.1 Sistema de Enfriamiento 1.3.2 Sistema de Refrigeracin 1.3.3 Sistema de Congelacin 1.3.4 Sistema de Criognico 1.4 Sistema de Refrigeracin por Compresin de Vapores 14 1.4.1 Ciclo Bsico de Sistema de Refrigeracin 1.4.2 Diagrama Presin Entalpia (Diagrama de Mollier) 1.4.3 Sistema de Refrigeracin Directo 1.4.4 Sistema de Refrigeracin Indirecto 1.5 Conceptos Bsicos 20 1.5.1 Termodinamica 1.5.2 Principio Cero de la Termodinamica 1.5.3 Primer Principio de la Termodinamica 1.5.4 Segundo Principio de la Termodinamica 1.5.5 Energa 1.5.6 Fuerza 1.5.7 Presin 1.5.8 Presin Atmosfrica 1.5.9 Presin Manomtrica 1.5.10 Presin Absoluta 1.5.11 Estado de la Materia 1.5.12 Proceso Termodinmico 1.5.13 Ciclo Termodinmico 1.5.14 Calor 1.5.15 Calor Especifico 1.5.16 Clculo de la Cantidad de Calor 1.5.17 Transferencia de Calor 1.5.18 Conduccin 1.5.19 Conveccin 1.5.20 Radiacin 1.5.21 Calor Sensible 1.5.22 Calor Latente 1.5.23 Calor Total 1.5.24 Calor Latente de Fusin 1.5.25 Calor Latente de Vaporizacin 1.5.26 Calor Latente de Sublimacin 1.5.27 Entalpia 1.5.28 Entropia 1.5.29 Volumen 1.5.30 Volumen Especifico

1.5.31 Temperatura 1.5.32 Punto de Ebullicin 1.5.33 Refrigerante 1.5.34 Tonelada de Refrigeracin 1.5.35 Sobrecalentamiento 1.5.36 Subenfriamiento CAPITULO II SELECCIN DEL TIPO DE CONDENSADOR 38 2.1 Clasificacin de Condensadores para la Refrigeracin 39 2.2 Condensadores Enfriados por Agua 42 2.2.1 Condensadores de Doble Tubo 2.2.2 Condensadores de Envolvente y Tubo Vertical Abierto 2.2.3 Condensador de Coraza Envolvente y Tubo Horizontal 2.2.4 Condensador de Envolvente y Serpentn 2.3 Condensador Evaporativo 48 2.4 Diseo Termodinmico 50 2.4.1 Datos de Diseo 2.4.2 Conceptos Preliminares 2.4.3 Carga del Condensador 2.4.4 Diferencia Media Logartmica de Temperatura (LMTD) 2.4.5 Seccin de la Tubera 2.4.6 Espacio de los Tubos 2.4.7 Gasto y Velocidad del Agua de Circulacin 2.4.8 Coeficiente Global de Transmisin de Calor 2.4.9 Clculo del rea de Transmisin de Calor 2.4.10 Longitud de Tubos y Nmeros de Pasos 2.4.11 Cada de Presin CAPITULO III DISEO MECNICO 70 3.1 Especificaciones preliminares 71 3.2 Elementos constitutivos de un intercambiador de calor 73 3.3 Clculo para el dimetro de coraza 3.4 Seleccin y clculo mecnico de las tapas 79 3.5 Clculo mecnico del peso del recipiente 81 3.5.1 Peso vaco del recipiente 3.5.2 Peso del agua del recipiente 3.5.3 Resultado del peso del agua del recipiente ANEXOS 85 GRAFICAS Y TABLAS 86 CONCLUSIONES 104 BIBLIOGRAFIA 105


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INTRODUCCIN. La determinacin de la rapidez de transferencia de calor a una diferencia de temperatura especificada constituye el problema principal. Con objeto de estimar el costo, la factibilidad y el tamao del equipo necesario para transferir una cantidad especfica de calor en un tiempo dado, debe realizarse un detallado anlisis de transferencia de calor. Las dimensiones de calderas, calentadores, refrigeradores y condensadores (cambiadores de calor), dependen no nicamente de la cantidad de calor que deba ser transmitida, sino tambin, de la rapidez con que deba transferirse el calor bajo condiciones dadas. La operacin apropiada de los componentes del equipo tales como, los tubos de enfriamiento de un condensador o las paredes de una cmara frigorfica, depende de la posibilidad de enfriamiento de ciertas partes metlicas, retirando el calor de la superficie en forma continua y a gran rapidez. As mismo, el diseo de mquinas elctricas, calderas, radiadores y rodamientos debe hacerse un anlisis de transferencia de calor con objeto de evitar las condiciones que provocaran sobrecalentamiento y dao al equipo. En el clculo de condensadores, as como en otros equipos, la solucin adecuada requiere de hiptesis e idealizaciones. Es casi imposible descubrir los fenmenos fsicos en forma exacta, y para expresar un problema en forma de ecuacin que pueda resolverse, es necesario hacer algunas aproximaciones. Para asegurar una operacin satisfactoria del elemento, el diseador aplicara un factor de seguridad a los resultados que obtuvo de su anlisis. Aproximaciones similares son tambin necesarias en los problemas de los condensadores. Las propiedades fsicas, tales como la conductividad trmica o la viscosidad cambian con la temperatura, pero, si se seleccionan valores promedio convenientes, los clculos pueden ser considerablemente simplificados sin introducir un error apreciable en el resultado final. Cuando el calor es transferido de un fluido a una pared, como por ejemplo, en un cambiador de calor, se forman incrustaciones debido a la operacin continua y stas reducen la rapidez del flujo de calor. Con objeto de asegurar una operacin satisfactoria por un largo periodo, se debe aplicar un factor de seguridad que contrarreste el riesgo. Un condensador es una superficie de transferencia de calor que efecta la transferencia de un fluido a otro. El tipo ms sencillo de un condensador es un recipiente en el cual se mezclan directamente un fluido caliente y otro fro. En tal sistema, ambos fluidos alcanzaran la misma temperatura final, y la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energa perdida por el fluido mas caliente con la energa ganada por el fluido mas fro.


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Los calentadores abiertos de agua potable, enfriadores y los inyectores de condensacin, son ejemplos de equipos de transferencia de calor que emplea la mezcla directa de fluidos. Sin embargo son mas comunes los condensadores en los cuales un fluido esta separado del otro por una pared o divisin a travs de la cual fluye el calor. A este tipo de condensadores se les llama tambin recuperadores. Existen muchas modalidades de tales equipos desde un tubo doble concntrico (un tubo dentro de otro) con algunos pies cuadrados de superficie para la transferencia de calor, hasta complicados condensadores de superficie y evaporadores con muchos miles de pies cuadrados de superficie para la transferencia de calor. Una de las razones de que los equipos puedan daarse es por efecto de las variaciones de temperatura. A raz de esto es que se ha podido fabricar distintos equipos especializados para el intercambio de calor. Estos aparatos sirven para evitar el sobrecalentamiento de las maquinas y as lograr mantener una temperatura ideal de trabajo. Por otro lado tambin hay tipos que fueron construidos para mantener por debajo de cierta temperatura, ya sea, alimentos, medicinas etc. Los intercambiadores de calor son dispositivos usados para la transferencia de calor entre dos o ms fluidos. Los intercambiadores de calor compactos son comnmente usados en los procesos industriales de Ventilacin Calentamiento, Refrigeracin y tambin de Aire acondicionado, debido a su economa, construccin y operacin. El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaos y tecnologa como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento qumico, calefaccin y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domsticos, radiadores de automviles, radiadores de vehculos especiales, etc.

Fluidos en un intercambiador de calor Entre estos extremos hay un extenso surtido de cambiadores comunes de coraza y tubo. Estas unidades se usan ampliamente, por que pueden construirse con grandes superficies de transferencia de calor en un volumen relativamente pequeo, pueden fabricarse de aleaciones resistentes a la corrosin, y son idneas para calentar, enfriar o evaporar o condensar toda clase de fluido.


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El diseo de un cambiador de calor, puede descomponerse en tres fases principales: 1.- El diseo trmico. 2.- El diseo mecnico preliminar. 3.- el diseo para su construccin. El diseo trmico se ocupa primordialmente de determinar el rea de superficie necesaria para transferir calor a una velocidad especfica a determinados niveles dados de flujo y temperatura de los fluidos. El diseo mecnico obliga a considerar las temperaturas y presiones de operacin, las caractersticas de corrosin de uno o ambos fluidos, las expansiones trmicas relativas, los esfuerzos que acompaan y la relacin del cambiador de calor con otro equipo que intervenga. El diseo de fabricacin exige traducir las caractersticas y dimensiones fsicas a una unidad que pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la seleccin de materiales, acabados y cubiertas, elegir el dispositivo mecnico ptimo, y especificar los procedimientos de fabricacin. Para obtener mxima economa, la mayora de los fabricantes han adoptado lneas estndar de cambiadores de calor. Las normas establecen los dimetros de los tubos y los dominios de presin, adems de promover el uso de modelos y procedimientos de fabricacin estndar; sin embargo, la estandarizacin no significa que estos mecanismos puedan fabricarse de modelo y tipo uniformes, por que las necesidades de servicio varan demasiado. Casi todo cambiador requiere cierto grado de diseo tcnico especial, pero si las condiciones de servicio lo permiten, el empleo de cambiadores construidos de acuerdo con lneas estndar economiza dinero. Por lo tanto, a menudo se pide al ingeniero encargado de instalar de cambiadores de calor en plantas de potencia y equipos de proceso, que seleccione la unidad cambiadora de calor adecuada para una ampliacin en particular. La seleccin exige efectuar un anlisis trmico, para determinar si una unidad estndar, de geometra y tamaos especficos puede satisfacer los requisitos de calentamiento o enfriamiento de un fluido dado a una velocidad especificada. En este tipo de anlisis, el costo inicial debe equilibrarse con factores tales como la vida til del equipo, facilidad de limpieza y espacio que ocupa. Tambin es importante cumplir las exigencias de los cdigos de seguridad, para la cual deben consultarse las normas respectivas.


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CAPITULO I

GENERALIDADES


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1.1. BREVE HISTORIA DE LA REFRIGERACIN. Desde hace mucho tiempo, el hombre ha tratado de dar aplicaciones al fenmeno natural de enfriamiento. Se tiene conocimiento que en la antigua China, hubo emperadores que mandaba traer nieve a las montaas para mitigar el calor a base de bebidas enfriadas con esta nieve.

El arte de la refrigeracin basado en el hielo natural es muy antiguo y se practic mucho antes de construirse cualquier mquina trmica. Hay escritos chinos, anteriores al primer milenio a. J.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano stanos de hielo. Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y segn Las mil y una noches, en la Edad Media caravanas de camellos transportaban hielo desde el Lbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad.

Los griegos y los romanos compriman la nieve en pozos aislados con pasto, paja y ramas de rboles. La nieve comprimida se converta en hielo para ser usado en pocas de mayor calor. Esta prctica la describe Peclet y ha llegado hasta casi mediados del siglo XX en algunas zonas rurales catalanas, donde existan los llamados pous de gla. Estos pozos se construan en laderas umbras de los montes, de forma cnica con la base en la superficie y con un pozuelo en el fondo separado por una rejilla y en forma que se pudiese recoger y verte fuera el agua producida por la fusin de hielo. A medida que se iba echando la nieve o el hielo en estos pozos, se rociaban con agua helada y, una vez llenos, se cubran su boca con paja y tablas que aislaban el hielo del calor exterior; as conservaban hielo preparado en invierno.

Otros escritos antiguos describen cmo los egipcios, hindes y otros pueblos, empleaban procedimientos para producir hielo artificialmente, en general parecidos en sus principios. Se llenaban con agua vasijas poco profundas de arcilla porosa u otro material anlogo y se colocaban sobre gruesos lechos de paja durante la noche. Si las condiciones atmosfricas eran favorables: fro, aire seco y una noche sin nubes, la prdida de calor, debida a la evaporacin nocturna, originaba la formacin de finas capas de hielo en la superficie. La paja impeda la conduccin del calor desde la tierra ms caliente y la forma de las vasijas, poco profundas y de una gran superficie, facilitaba la evaporacin y la prdida de calor por radiacin. Estos primeros mtodos de producir refrigeracin son otro notable ejemplo de la habilidad humana, patente en toda la historia de la termotcnia y las mquinas trmicas, para desarrollar un arte til mucho antes de la existencia de las correspondientes bases racionales y cientficas; facultad de utilizar y creer lo que no se entiende que ha marcado la evolucin de la humanidad.

Asimismo, hasta mediados del siglo XIX existan navieras especializadas que transportaban miles de toneladas de hielo de Suecia y de los Grandes Lagos de EE.UU.A y Canad a las Indias orientales, Australia, las Antillas y Amrica del Sur.


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Los antiguos egipcios encontraron que el agua se poda enfriar, colocndola en jarras porosas en la parte superior de los techos, la brisa nocturna evaporada que se filtraba a travs de las jarras, hacia que el agua que contenan se enfriar. Los griegos y romanos dispusieron de la nieve que bajaba desde la parte superior de las montaas, almacenndola en fosas de forma cnica que forraban con paja y ramas, conforme avanzo la civilizacin, la gente fue aprendiendo a enfriar las bebidas y los alimentos, pensando, simplemente, en hacerlos mas agradables.

La utilizacin de los procesos qumicos mediante mezclas refrigerantes se puede considerar como una etapa intermedia entre el fro natural y el fro artificial, y desde antiguo se conoca que aadiendo ciertas sales, como por ejemplo el nitrato sdico, al agua, se consigue disminuir su temperatura.

Este procedimiento era utilizado en la India en el siglo IV y durante la dominacin musulmana en la pennsula Ibrica. As, los Omeyas introdujeron en Crdoba los sorbetes que elaboraban usando una mezcla de nieve con salitre.

En 1553 un mdico espaol, aposentado en Roma, Blas Villafranca se ocupaba, en su libro, editado en Roma, Methodes refrigerandi ex vocato sale nitro vinum aquamque acpotus quodvis aliud genus, cui accedaent varia naturalium rerum problemata, non minus jucunda lectu, quam necesaria cognitu, del enfriamiento del agua y el vino por medio de mezclas refrigerantes, nombrando por primera vez la palabra refrigerar en el sentido de lograr y mantener una temperatura inferior a la del ambiente. En 1607 se descubri que poda utilizarse una mezcla de agua con sal para congelar el agua. En el ao de 1626, el cientfico ingls Francis Bacon, experiment por primera vez la refrigeracin para conservar los alimentos, intentando la conservacin del pollo, mediante el recurso de rellenarlo con nieve. Aunque parta de una mera intuicin, pues hasta entonces, todava no se saba exactamente por que se descomponan los alimentos.

En 1683, un cientfico alemn de nombre Antn Van Leeuwennoek, descubri un mundo cientfico totalmente novedoso, gracias a su invento del microscopio, descubri que un cristal transparente de agua contena millones de organismos vivientes, que en la actualidad se denominan microbios.

Los cientficos estudiaron los microbios y encontraron que la rpida multiplicacin

de los mismos, se realiza en condiciones calientes y hmedas, tal como las que se presentan en los alimentos. Esta multiplicacin de microbios fue reconocida prontamente como la causa principal del deterioro de los alimentos.

Por el contrario, se comprob que al mismo tiempo, los microbios a temperaturas

de 10 C. o menores no se multiplicaban. Mediante estos estudios cientficos se hizo


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evidente que los alimentos frescos podan conservarse con seguridad a temperaturas de 10 C. o menores. As se empezaron a preservar los alimentos por medio del enfriamiento, as como de la deshidratacin, la condimentacin o el salado de los mismos.

Joseph Priestley haba descubierto en 1774 el amonaco y tambin haba

observado la gran afinidad de este nuevo gas, que l denomin aire alcalino, por el agua. Esta propiedad condujo a Ferdinand Philippe Edouard Carr (Moislains 1824 Poncet 1900) a idear una mquina de refrigeracin que slo consuma calor, gracias a un nuevo sistema que l llam de afinidad. El sistema fue conocido mas tarde con el nombre de absorcin.

Esta mquina obtuvo el premio de la exposicin universal de Londres de 1862 y en 1875 el buque Paraguay, equipado con ella, transport por primera vez carne congelada de Buenos Aires a Le Havre. Carr tambin invent otros aparatos elctricos, Ferdinan Carr patent su nueva mquina en 1859 y en los aos siguientes registr numerosas patentes relacionadas con mquinas de refrigeracin. Las mquinas fabricadas con arreglo a estas patentes fueron de dos tipos: una pequea de operacin intermitente, y otra grande de operacin continua.

Todas estas experiencias y descubrimientos, llevaron a los cientficos de ese

entonces, a tratar de crear maquinas capaces de fabricar hielo, pero no fue hasta 1834, cuando un ingeniero norteamericano, con domicilio en Londres, llamado Jacob Perkins, patent la primera mquina prctica productora de hielo.

En este continente, en 1855, y precisamente en la ciudad de Cleveland, Ohio, se

pone en marcha la primera mquina de refrigeracin para hacer hielo. Dams Calvet fue a Pars a estudiar el sistema Carr y da las siguientes

descripciones de las dos mquinas del mismo, basada en un informa de Pouillet y Regnault. La mquina pequea, era de carcter domstico y porttil. Poda hacer de 0,5 a 2 kg. de hielo en cada operacin; tena dos elementos principales que actuaban alternativamente, el primero como calentador y absorbedor y el segundo como condensador y evaporador.

El aparato se pona a calentar durante 35 a 70 minutos; la solucin concentrada de amoniaco se calentaba hasta 130C, el gas amoniaco abandonaba la solucin acuosa y pasaba al condensador donde se licuaba. En la fase de enfriamiento, aproximadamente de la misma duracin, una bandeja de metal con agua se pona en esta misma parte del equipo, que ahora funcionaba con evaporador, y el agua se congelaba. El aparato empleaba aproximadamente 3 kg de carbn de madera por cada kilo de hielo producido.


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La mquina de operacin continua, que tuvo mayor repercusin, era mucho ms elaborada; tena casi todas las caractersticas de las mquinas actuales. El conjunto estaba formado por un calentador, en cuya parte superior haba un rectificador para que el amoniaco desprendido se desecara calentndolo (rectificacin) antes de pasar al condensador situado en la caja, llena de agua fra que se renueva para mantener la temperatura alrededor de los 30C y compuesto de dos serpentines, despus del cual estaba una vlvula de expansin que daba paso al serpentn evaporador inmerso en salmuera, en la que haba unos moldes en donde el agua era congelada. El cilindro r" a la salida del condensador, reciba el lquido condensado en los serpentines a 30C y 8 atmsferas, que se mantenan en el caldern, al no haber ningn estrangulamiento entre ambos.

El amoniaco condensado iba a un vaso distribuidor, de donde se extraa a travs de una vlvula h que proporcionaba la prdida de carga suficiente para que aguas abajo de la misma, en el evaporador, la presin fuese de 1 atmsfera. Completaban el ciclo un absorbedor donde se regeneraba la solucin concentrada y una bomba N, que la enviaba al calentador. Observando la vlvula de seguridad, en la parte superior del rectificador y la precaucin de que los vapores (de amoniaco) fuesen a un recipiente con agua, cerrado para evitar la dispersin del amoniaco.

Esta mquina fue fabricada en Pars en 1860, y se hicieron 5 modelos con unas

capacidades de produccin de 12 a 100 kg de hielo por hora. Un cuadro del folleto de Dams Calvet citado, resume las prestaciones de las mquinas ofertadas por Carr.

La mquina de Carr fue rpidamente exportada a otros pases y en algunos de ellos, como Alemania, Gran Bretaa y Estados Unidos fue construida y perfeccionada. Precisamente fue en el Sur de los Estados Unidos donde la mquina de absorcin tuvo mayor difusin y aunque al principio su utilizacin se limitaba a fbricas de hielo y de cerveza, ms adelante ampli su campo de aplicacin. La mquina de absorcin ejerci una clara hegemona sobre las otras mquinas de refrigeracin durante un periodo que alcanza hasta 1875 aproximadamente, y eso a pesar de que el diseo, clculo y uso de esta mquina eran ms complejos que en la de compresin. De hecho los clculos y funcionamientos de la mquina eran en esa poca en su mayor parte empricos, y su conocimiento terico empezar mucho ms tarde con los trabajos de E. Altenkirch, autor tambin de la teora de la refrigeracin termoelctrica en 1911. (Zeit fr Phys, vol. 12), la tecnologa ms moderna de la refrigeracin continua y que ha experimentado un gran desarrollo con la tecnologa aerospacial.

Cuando aparecieron otros refrigerantes distintos de los teres y ms tarde los motores elctricos, la mquina de absorcin tuvo que ceder el primer puesto a la de compresin. Sin embargo, no desapareci y todava en 1919, de 55 factoras de fro existente en Florida 44 estaban equipadas con mquinas de absorcin, y como se ha dicho, en la industria petrolfera, con disponibilidad de calor residual, ha permanecido.


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Hacia 1930, la absorcin volvi a tomar nuevo empuje, especialmente debido a los suecos Carl Munters y Baltazar von Platen que basndose en la ley de Dalton de las presiones parciales y utilizando hidrgeno, consiguieron a principios de los aos 20, cuando todava eran alumnos del Real Instituto de Tecnologa de Estocolmo, eliminar la bomba del sistema y dar con ello impulso al refrigerador domstico por absorcin que tuvo una gran difusin y una particular aplicacin en las zonas rurales sin electricidad ni gas ciudad, y ltimamente para aprovechamiento de energa trmica de bajo nivel e, incluso, energa solar, con la utilizacin de la solucin de bromuro de litio sustituyendo a la de amoniaco, introducida haca 1940.


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1.2. TIPOS DE REFRIGERACIN.

En la actualidad existen cinco tipos de aplicacin de la refrigeracin, los cuales son: 1.- Domstica 2.- Comercial 3.- Industrial 4.- Aire acondicionado 5.- Marina

1.2.1 REFRIGERACIN DOMSTICA.

El campo de la refrigeracin domestica esta limitado principalmente a refrigeradores y congeladores caseros. Las unidades domesticas generalmente son de tamao pequeo tenindose capacidades de potencia que fluctan entre 1/20 y HP. (Vase fig. 1).

Fig. 1 Frigorficos domsticos. 1.2.2 COMERCIAL. La refrigeracin comercial se refiere al diseo, instalacin y mantenimiento de unidades de refrigeracin de tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al menudeo, restaurantes, hoteles e instituciones que se dedican a almacenamiento, exhibicin, procesamiento y a la distribucin de artculos de comercio perecederos de todos tipos. (Vase fig. 2).

Fig. 2 Frigorficos comerciales


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1.2.3. INDUSTRIAL.

La refrigeracin industrial a menudo es confundida con la refrigeracin comercial, porque la divisin entre estas dos reas no esta claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son ms grandes en tamao que las aplicaciones comerciales y, la caracterstica que las distingue es que se requiere un empleado para su servicio, (fig. 3), que por lo general es un ingeniero. Algunas aplicaciones industriales tpicas son plantas de hielo, grandes plantas empacadoras de alimentos, cerveceras, lecheras y plantas industriales, tales como refineras de petrleo, plantas qumicas, plantas huleras, etc.

Fig. 3 Equipos de refrigeracin para fines industriales. 1.2.4. MARINA.

La refrigeracin marina se refiere a la realizada abordo de embarcaciones de transporte y cargamento sujeto a deterioros as como refrigeracin de los almacenes del barco. (fig. 4).

Fig. 4 Construcciones frigorficas marinas.


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1.2.5. REFRIGERACIN PARA AIRE ACONDICIONADO. El aire acondicionado es la tcnica para controlar los factores que afectan las condiciones fsicas y qumicas de la atmsfera dentro de cualquier espacio destinado a ocuparse por personas para su comodidad o bien para realizar procesos industriales. Los sistemas de refrigeracin son parte fundamental en los proyectos de acondicionar espacios con aire fri.

1.3. SISTEMAS DE REFRIGERACIN:

La finalidad de la refrigeracin moderna es muy variable y va desde conservar un producto, hasta llegar a un proceso. Estos procesos se clasifican en grupos que son:

Enfriamiento.

Refrigeracin.

Congelacin.

Proceso criognico.

Aire acondicionado.

1.3.1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO.

Los sistemas de enfriamiento operan normalmente con temperaturas que van desde + 15 C a +2C (59F a 35.6F). Aun cuando en algunos casos existen una distribucin de temperatura hasta los 0C (32F), en este proceso nunca se presenta un cambio de estado en la sustancia que maneja y solamente se elimina calor sensible.

Su aplicacin es muy amplia y se utiliza en productos que requieren conservacin y la temperatura en que se encuentran son solo para efectos de gusto. Como ejemplo tenemos:

Enfriadores de bebidas carbonatas.

Enfriadores de productos lcteos.

Sistemas de acondicionamiento del aire. (fig. 5).


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Fig. 5 Equipo de acondicionamiento de aire. 1.3.2. SISTEMA DE REFRIGERACIN. Los niveles de temperatura de este proceso comprenden valores ligeramente superiores de los 0C a -180C (32F a -0.4F) aproximadamente. En este proceso se utiliza para la eliminacin de calor latente. Este proceso se utiliza para la conservacin de productos de 2 semanas hasta un mes aproximadamente. Es utilizado ampliamente en instalaciones domesticas, comerciales (fig. 6), y de investigacin.

Fig. 6 Frigorficos comerciales. 1.3.3. SISTEMA DE CONGELACIN. Este proceso opera entre -18C y -40C (-0.4F y -40) y en este proceso tambin se elimina calor latente. No obstante en algunos casos solamente se elimina calor sensible, por ejemplo, cuando se conserva la carne congelada en la transportacin. El periodo de conservacin va desde un mes hasta un ao dependiendo del producto y que producto y procedimientos se empleen. (Fig. 7).


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Fig. 7 Tnel de Congelacin para 20000 Lbs que opera con un compresor de tornillo y refrigerante zamonaco.

1.3.4. SISTEMA DE CRIOGENICO.

Es un proceso que opera desde -40C (-40F) a valores cercanos al cero

absoluto. Esto implica el cambio de estado fsico en la sustancia si esta se encuentra en forma liquida o agua. Su aplicacin es muy fuerte en el rea industrial y de investigacin, tambin desarrollndose en reas comerciales. Este proceso trata de la preservacin de los productos alimentacin en sus caractersticas o codician muy crtica.

1.4. SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPORES.

1.4.1. CICLO BSICO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIN. Si tomamos un lquido refrigerante, lo confinamos a un recipiente y lo colocamos este cerca de un objeto caliente, el lquido absorbe calor de objeto, el lquido absorbe calor del objeto de mayor temperatura. Si el lquido refrigerante absorbe suficiente calor, entrar en ebullicin y vaporizar. Si el gas refrigerante vaporizado esta lo bastante comprimido, entregar el calor que absorbi del objeto caliente y se condensar en el fondo del recipiente en forma de lquido. Este proceso de vaporizacin y condensacin sucesivas de un refrigerante se denomina ciclo de refrigeracin. Cuando el ciclo se cumple en forma contina gracias al empleo de maquinaria, se denomina refrigeracin mecnica.


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Los componentes bsicos necesarios para establecer un sistema de refrigeracin mecnica son:

Un evaporador, el cual ser la unidad enfriadora. Una bomba, a la que denominamos compresor. Un condensador, el cual ser la unidad disipadora de calor. Un dispositivo regulador de lquido, ya sea vlvula de expansin, tubo

capilar, etc. Para entender como se unen los componentes para formar un ciclo de

refrigeracin, empezaremos describiendo el funcionamiento del evaporador. Primero tenemos un tubo que est parcialmente lleno con lquido refrigerante. Cuando el tubo se coloca cerca del objeto caliente que se desea enfriar y el calor se traslada del objeto caliente hacia el tubo fro.

El calor absorbido por el lquido refrigerante en el tubo, provoca que este lquido

hierva primero y se vaporice luego, debido a su trabajo puno de ebullicin. El tubo en el cual se produce la ebullicin se denomina evaporador, puesto que la ebullicin produce una forma de evaporacin.

El refrigerante otra vez en estado lquido, se acumula en la porcin inferior del condensador, donde queda disponible para otro ciclo de enfriamiento. El condensador no puede estar del todo bloqueado, puesto que la presin sera excesiva y no habra forma de que el refrigerante retornara al evaporador. En consecuencia, debe establecer un mtodo para obtener la cantidad correcta de presin que permita la recirculacin del refrigerante. La forma ms simple de lograrlo es utilizando otro tubo. Las leyes de la fsica establecen que cuanto ms pequeo sea el dimetro de un cilindro y mayor su longitud, ms grande ser la resistencia que ofrezca a la circulacin de cualquier fluido que pase por l. Entonces, mediante una juiciosa de su dimetro y longitud, un cilindro o tubo puede servir tanto para regular la presin, como para transportar el refrigerante. Para las modernas y compactas unidades acondicionadoras de aire, el tubo deber ser demasiado largo, por consiguiente, se le da la forma de una bobina, obtenindose as una longitud conveniente y tamao reducido. Tal dispositivo se conoce como tubo capilar. Veamos ahora una vez ms al ciclo de refrigeracin, tal como se representa en la siguiente figura 8:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERiA MECANICA Y ELECTRICA

ESIME (UPAI

CD Compresor @ Evaporador @ Elemento restrictivo Condensador

Fig. 1.8 Sistema mecenico por compresi6n de vapores

La accion del compresor extrae vapor del evaporador, reduciendo la presion del Iiquido refrigerante en el evaporador. EI calor circula desde los objetos mas calienta . hasta el Iiquido refrigerante. La reducclon dela presion en el Iiquido produce evaporacion, la que da como resultado la extraccion de calor del Iiquido, 10 que Ie brinda capacidad para absorber mas calor de los objetos mas calientes.

EI vapor refrigerante del evaporador se comprime en vapor a alta presion y se fuerza dentro del condensador. EI vapor, condensado a Iiquido, por accion de la elevada presion, entrega su calor a la atmosfera mas frla que 10 rodea.

EI Iiquido refrigerante, condensado se fuerza luego en el tubo capilar por la presion que crea el compresor. EI Iiquido del tubo capilar vuelve a entrar en el evaporador y el ciclo se reinicia.

1.4.2. DIAGRAMA PRESION ENTALP!A (DIAGRAMA DE MOLLlER).

Casi todas las substancias pueden existir en la naturaleza en esta solido, Iiquido o gaseoso y pueden se cambiados de un estado otro. Estos cambios de estado pueden provocarse por medio de enfriamiento 0 calentamiento.

Un ingeniero en diseno revisa cuidadosamente los datos del refrigerante en forma de tablas y graficas antes de seleccionarlo para una lnstalaclon determinada.

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Esta informacin puede representarse grficamente en formas de diagramas que son conocidos como diagramas de Mollier, (Fig. 9), estos graficarn la presin absoluta y la entalpa principalmente. Estos diagramas son fciles de entender y sirven como una herramienta valiosa para analizar y comprender el funcionamiento de un sistema de refrigeracin. El ingeniero en refrigeracin debe analizar el diagrama de Mollier para graficar los ciclos de refrigeracin, sirve para detectar problemas prcticos en las operaciones de un sistema. El diagrama representa el refrigerante. Es una representacin grafica de los datos contenidos en las tablas termodinmicas. El diagrama muestra los tres estados fsicos diferentes. Las lneas de frontera convergen al aumentar la presin y linealmente se juntan en un punto crtico, el cual representa la condicin lmite para la existencia de refrigerante lquido. A temperaturas mayores a la crtica el refrigerante puede existir solo en forma gaseosa. Comenzando por la esquina inferior izquierda, tenemos que el hielo est a 0 F; se puede determinar que se necesitaron 16 BTUs para llevar el hielo de 0 a 32 F. Estos 16 BTUs son de calor sensible, ya que ellos producen un aumento en la temperatura. Seguimos agregando calor y notamos que el hielo comienza a derretirse.

Fig. 9 Diagrama de Mollier del refrigerante Freon-12.


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1.4.3. SISTEMA DE REFRIGERACIN DIRECTO.

Es aquel en el cual el evaporador va colocado dentro de un tanque perfectamente aislado trmicamente, el cual a su vez contiene una solucin salina llamada salmuera que es la que circula por el espacio o cuerpo a enfriar (refrigerar). En estos sistemas indirectos debe considerarse que la temperatura de la salmuera o refrigerante secundario que circula por el serpentn secundario de enfriamiento o a la salida del mismo espacio o producto a enfriar debe ser de 5F a 6F como mnimo debajo de la temperatura del producto o espacio a enfriar. La elevacin de la temperatura de la salmuera es de la entrada hasta la salida del serpentn, se calcula generalmente de 10F pudindose considerar en grandes plantas hasta de 15F a 20F (Fig. 10).

+Qs

AMONI ACO GAS

AMONI ACO LI QUI DO

AMONI ACO GAS

LI QUI DO

AMON

IACO

ESPACI O POR REFRI GERAR

COMPRESOR

CONDENSADOR

VALVULA DE EXPANSI N

EVAPORADOR

- Qs

Fig. 10 Sistema de refrigeracin directo.


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A. B. P. A. B. P. Transmisor de calor secundario

Temperatura requerida Primaria

De la sustancia Producto

o espacio.

Salmuera

T Condensado

V.E.Salmuera como refrigerante Evaporador, donde tiene lugar

la Temp. Requerida secundaria.

Refrigerante primario

1.4.4. SISTEMA DE REFRIGERACIN INDIRECTO. En un sistema indirecto existen al menos dos intercambiadores de calor y un circuito secundario de refrigeracin entre el proceso y el primer refrigerante. Mtodo de refrigeracin por medio de la circulacin de aire utilizando ventilacin interior. (Fig 11 y fig. 12).

Fig. 11 Diagrama de un ciclo de refrigeracin indirecta que utiliza salmuera como refrigerante secundario para la fabricacin de hielo.

Fig. 12 Sistema de refrigeracin indirecto enfriado por aire.


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1.5. CONCEPTOS BSICOS:

1.5.1. TERMODINMICA.

La termodinmica es la rama de la fsica que estudia la energa, la transformacin entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

Est ntimamente relacionada con la mecnica estadstica, de la cual se pueden derivar numerosas relaciones termodinmicas. La termodinmica estudia los sistemas fsicos a nivel macroscpico, mientras que la mecnica estadstica suele hacer una descripcin microscpica de los mismos.

1.5.2. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINMICA. A este principio se le llama "equilibrio trmico". Si dos sistemas A y B estn a la misma temperatura, y B est a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C estn a la misma temperatura. Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibe la posicin 0. 1.5.3. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA.

Tambin conocido como principio de la conservacin de la energa, la Primera ley de la termodinmica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energa interna del sistema variar. La diferencia entre la energa interna del sistema y la cantidad de energa es denominada calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Eentra Esale = Esistema (ECC. 1.1)

En otras palabras: La energa no se crea ni se destruye slo se transforma. (Conservacin de la energa).

1.5.4. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA.

Esta ley indica la direccin en que se llevan a cabo las transformaciones energticas. En un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energa con su entorno, la entropa (fraccin de energa de un sistema que no es posible convertir en trabajo) siempre aumenta con el tiempo.


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En otras palabras: El flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura ms alta a aquellos de temperatura ms baja.

Existen numerosos enunciados para definir este principio, destacndose los de Carnot y Clausius.

Enunciado de Carnot: La potencia motriz del calor es independiente de los agentes que intervienen para realizarla; su cantidad se fija nicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se hace, en definitiva, el transporte calrico.

Fig. 13 Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de la presin y el volumen. Enunciado de Clausius No es posible ningn proceso cuyo nico resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura ms elevada". 1.5.5. ENERGA. Siempre que se efecta un trabajo o se desarrolla un movimiento de cualquier clase, hay energa. Se dice que un cuerpo posee energa, cuando tiene la capacidad de desarrollar trabajo. Por lo tanto, la energa se describe como la facultad de desarrollar trabajo. En cualquier cuerpo la energa puede encontrarse en una sola o en las dos formas bsicas siguientes: cintica y potencial. Energa cintica: Es la que posee un cuerpo como resultado de su desplazamiento o velocidad.


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Energa potencial: Es la que posee un cuerpo debido a su posicin o configuracin.

Toda la energa se puede clasificar dentro de las dos clases bsicas: Cintica o potencial. Sin embargo la energa puede aparecer en varias formas diferentes, tales como: Energa mecnica, energa elctrica, energa qumica, energa trmica, etc. y fcilmente se convierte de una a otra. La energa elctrica, por ejemplo, se convierte en energa calorfica en un calentador o en un tostador elctrico. La energa elctrica se convierte en energa mecnica en los motores elctricos, en los celenoides, y en otros aparatos mecnicos. En fin la energa no se destruye, en el sentido de qye se convierte de una a otra. Esto nos lleva a la primera ley de la termodinmica que trata sobre la conservacin de la energa, y dice: La cantidad de energa es constante, no puede crearse ni destruirse, solo se transforma. 1.5.6. FUERZA.

Se denomina fuerza a cualquier accin o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleracin modificando su velocidad.

1. La aceleracin que experimenta un cuerpo es, por definicin, proporcional a la fuerza que actan sobre l.

2. La constante de proporcionalidad entre la fuerza y la aceleracin se denomina masa inercial del cuerpo.

Estas dos afirmaciones se resumen en la Ley Fundamental de la Dinmica o Segunda Ley de Newton:

(Ecc. 1.2)

Donde representa la fuerza que actan sobre el cuerpo, su masa y su aceleracin. Medidas sobre un sistema inercial de referencia.

La fuerza, al igual que la aceleracin, es una magnitud vectorial, y se representa matemticamente mediante un vector.


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1.5.7. PRESIN. Para poder definir la presin, es necesario conocer que es fuerza. La fuerza ms conocida es el peso. El peso de un cuerpo es una medida de la fuerza que ejerce la atraccin de la gravedad sobre el mismo. Como se observa en la ecuacin siguiente.

AFP = (Ecc. 1.3)

Unidades de presin y sus factores de conversin Pascal bar N/mm kp/m kp/cm atm Torr

1 Pa (N/m)= 1 10-5 10-6 0.102 0.10210-4 0.98710-5 0.00751 bar (daN/cm) = 100000 1 0.1 10200 1.02 0.987 750

1 N/mm = 106 10 1 1.02105 10.2 9.87 7500 1 kp/m = 9.81 9.8110-5 9.8110-6 1 10-4 0.96810-4 0.0736

1 kp/cm = 98100 0.981 0.0981 10000 1 0.968 736 1 atm (760 Torr) = 101325 1.013 0.1013 10330 1.033 1 760 1 Torr (mmHg) = 133 0.00133 1.3310-4 13.6 0.00132 0.00132 1

Tabla 1.1 De las unidades de presin y su factor de conversin. Existen muchas fuerzas adems de la gravedad, todas se miden en unidad de peso. La presin es la fuerza ejercida en la unidad de rea. Se puede describir como la medida de la intensidad de una fuerza en un punto cualquiera sobre la superficie de contacto. El vaco, prcticamente lo conocemos como la ausencia de presin. El vaci es la ausencia completa de materia o, dentro de nuestras aplicaciones, es un estado de aire en que este se halla tan fino, (rarificado), que la presin que tiene es muy inferior a la presin atmosfrica normal. 1.5.8. PRESIN ATMOSFRICA. La tierra est rodeada de una envoltura de atmsfera o aire que se extiende hacia arriba desde la superficie de la tierra a una distancia aproximada de 100 km. El aire tiene peso, y debido a eso, ejerce presin sobre la superficie de la tierra. La presin ejercida por la atmsfera se conoce como presin atmosfrica.


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El peso de una columna de aire en una seccin transversal de una centmetro cuadrado, que se extendiera de la superficie de la tierra, al nivel del mar, hasta los lmites superiores de la atmsfera, sera de 1.0333 kg. Por lo tanto, la presin de la superficie de la tierra al nivel del mar, resultante del peso de la atmsfera, es de 1.0333 kg. por centmetro cuadrado; lo cual equivale a 14.7 libras por pulgada cuadrada, en el sistema ingles. En realidad la presin de la atmsfera no es constante, sino que vara de hora a hora, dependiendo de la temperatura, del vapor de agua que contenga y de algunos otros factores. Una columna de mercurio de 760 mm. De altura es la medida de una presin equivalente a 1.0333kg. por centmetro cuadrado, de ah que las presiones debajo de las presiones atmosfricas generalmente reciben el nombre de presiones de vaci y se expresan en milmetros de mercurio. En los trabajos de refrigeracin y de aire acondicionado las presiones por encima de la presin atmosfrica son medidas en libras por pulgada cuadrada, o en kg. por centmetro cuadrado y las presiones por debajo de la presin atmosfrica son medidas en milmetros de mercurio o pulgadas de mercurio. 1.5.9. PRESIN MANOMTRICA. En los trabajos de refrigeracin y aire acondicionado, la presin se mide generalmente por medio de manmetros. Estos manmetros han sido diseados para medir presiones superiores a la atmosfrica, vale decir que los manmetros estn calibrados para que se lea cero a la presin atmosfrica normal. Las presiones sealadas por un manmetro se denominan presiones manomtricas. 1.5.10. PRESIN ABSOLUTA. La presin absoluta se entiende como presin total o real de un fluido. La presin absoluta es igual a la suma de la presin atmosfrica ms la presin manomtrica. La presin que se lee en un manmetro no es la presin total o real de fluido en un recipiente, sino que el manmetro mide solamente la diferencia de presin entre la presin total del fluido del recipiente y la presin atmosfrica. Cuando la presin del fluido es superior a la atmosfrica, la presin absoluta se determina sumando la presin atmosfrica a la manomtrica, y cuando la presin del fluido es inferior, la presin absoluta se encuentra restando la presin del manmetro de la presin atmosfrica, como se observa en la ecuacin siguiente.

matmABS PPP += (Ecc. 1.4)


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En cualquiera de los tres estados fsicos de la materia, la eliminacin de calor produce una contradiccin o reduccin del volumen del material y, por el contrario, la adicin de calor produce dilatacin (suponiendo que el material no est envasado o confinado, si se trata de un lquido o de un gas).

Una de la pocas excepciones a esta regla es al agua. Si se enfra, su volumen

disminuye normalmente hasta que la temperatura del agua es de 4 C. En este punto, el agua presenta mxima densidad y si se enfra ms, nuevamente aumentar su volumen. Adems, despus de enfriarse a 0 C., se solidificara, y esta solidificacin estar acompaada por una expansin aun mayor. De hecho, un metro cbico de agua al congelarse forma aproximadamente 1.085 metros cbicos de hielo. 1.5.11. ESTADO DE LA MATERIA. LA materia puede existir en tres fases o estados diferentes de agregacin: slido, lquido o gaseoso (vapor). Por ejemplo: el agua es un lquido, pero esta misma substancia puede existir como hielo, que es un slido, o como vapor, que es un estado gaseoso. Las molculas que se supone adems, estn en un estado de vibracin o movimiento rpido, constante y que la rapidez y extensin de la vibracin o movimiento molecular determina la cantidad de energa que posee la materia. Es decir, un cuerpo tiene energa interna, debido a su movimiento molecular. ESTADO SLIDO: La materia en estado slido tiene una estructura molecular rgida y tiende a retener su dimensin o forma, o sea que sus molculas tienen energa interna relativamente pequea. (Vase fig. 1.14). ESTADO LQUIDO: En el estado lquido hay mayor energa interna que en el estado slido. La mayor energa de las molculas les permite vencer hasta cierto grado las fuerzas de atraccin reciprocas. Por lo tanto no estn sujetas tan rgidamente como en el estado slido, pueden moverse libremente y su configuracin depende que contenga al lquido de que se trate. (Vase fig.1.14). ESTADO GASEOSO: Este estado de la materia tiene mayor cantidad de energa que los dos anteriores; sus molculas estn prcticamente libres, no estn no estn sujetas a las fuerzas de atraccin, es decir, vence esas fuerzas, que se mueven a velocidades elevadas y chocan unas con otras. Por eso, la materia en estado gaseoso, no tiene tamao ni forma y se debe almacenar en un recipiente sellado. (Vase fig. 14).


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Fig. 14 Los diferentes estados de la materia. 1.5.12. PROCESO TERMODINMICO.

A cualquier transformacin en un sistema, desde un estado de equilibrio a otro, se le conoce como proceso. Dicho en otras palabras, es el cambio de estado de una sustancia o un sistema, desde unas condiciones iniciales o de estado inicial, hasta unas condiciones finales o de estado final por una trayectoria definida.

Para describir completamente un proceso se requiere de los estados de equilibrio inicial y final, as como de la trayectoria o las interacciones del sistema con su entorno durante el proceso.

En general los procesos dependiendo de sus caractersticas, trayectoria, o del comportamiento de las propiedades de la sustancia involucrada se pueden clasificar en procesos desarrollados con una propiedad constante y en procesos con caractersticas especiales.

Existen 3 tipos de Procesos Termodinmicos, estos son:

- Los Procesos Isoentropicos.

- Los Procesos Adiabticos.

- Los Procesos Politrpicos.

Procesos Adiabticos.

El Proceso adiabtico es un proceso Termodinmico en la cual no hay transferencia de calor hacia y desde los alrededores.

Procesos Politrpicos.

Son aquellos Procesos Termodinmicos en donde el calor especfico permanece constante.

LIQUIDO. El liquido toma la forma del vaso que le contiene. As, si el agua del vaso se derrama sobre la superficie, forma del lquido cambia, pero su volumen permanece constante.

SLIDO.Un slido, por ejemplo la roca, posee una forma determinada, que no varia fcilmente. Esto, porque las partculas del slido estn unidas fuertemente entre si para formar una estructura firme.

GAS.Un gas llena el espacio que lo encierra y no posee forma ni volumen propio, adapta la forma de su recipiente, como el helio contenido en el globo de la imagen.


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1.5.13. CICLO TERMODINMICO.

Se denomina ciclo termodinmico al proceso que tiene lugar en dispositivos destinados a la obtencin de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportacin de trabajo.

Obtencin de trabajo.

La obtencin de trabajo a partir de dos fuentes trmicas a distinta temperatura se emplea para producir movimiento. El rendimiento es el principal parmetro que caracteriza a un ciclo termodinmico, y se define como el trabajo obtenido dividido por el calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclo completo si el proceso es continuo, y se define como la sucesin de procesos termodinmicos. (Fig. 15)

Este parmetro es diferente segn los mltiples tipos de ciclos termodinmicos que existen, pero est limitado por el factor o rendimiento del ciclo de Carnot.

Un ciclo termodinmico inverso busca lo contrario al ciclo termodinmico de obtencin de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca de la fuente ms fra a la ms caliente, al revs de como tendera a suceder naturalmente. Esta disposicin se emplea en las mquinas de aire acondicionado y en refrigeracin.

Fig. 15 Diagrama T-S para obtener trabajo.

1.5.14. CALOR Calor es una forma de energa. Es la energa trmica generada por el movimiento de las molculas en la materia. Todos los das hablamos del calor y del fro. Con estos trminos nos referimos a la temperatura del medio ambiente que nos rodea, en comparacin con lo que para


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nosotros es temperatura de confort. Pero realmente, desde el punto de vista cientfico, no existe el fro; es decir, lo que comnmente llamamos fro es ausencia de calor. Entonces, cuando nuestro cuerpo siente fro es que el calor est fluyendo de nuestro cuero hacia el ambiente y cuando sentimos calor; lo que ocurre es que este est fluyendo del ambiente hacia nuestro cuerpo. Esta transferencia de calor se d entre todos los cuerpos. El calor siempre fluye del cuerpo cuya temperatura es mas elevada hacia el que tiene la temperatura ms baja; o sea, de un cuerpo caliente a un o fro y nunca en direccin opuesta. A esto se refiere la segunda ley de la termodinmica que dice: el calor siempre fluye de un cuerpo ms caliente a un cuerpo ms fro, nunca en la direccin opuesta. 1.5.15. CALOR ESPECFICO. El calor especfico de un material es la cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura de un kilogramo del material en 1 C. El calor especifico de cualquier material, igual que el agua, vara, pero esta variacin es tan ligera, que resulta suficientemente preciso, en la mayor parte de los clculos, el considerar que el calor especfico es una cantidad constante. Sin embargo, lo anterior no es cierto cuando el material pasa por un cambio de estado fsico. El calor especfico de un material en el estado slido es aproximadamente de la mitad del valor del mismo en estado lquido. 1.5.16. CALCLO DE LA CANTIDAD DE CALOR. La cantidad de calor que deba agregarse o retirarse de una masa dada de material, para obtener un cambio especfico en su temperatura, puede calcularse usando la siguiente ecuacin: ( )12 ttmCQs = (Ecc. 1.5)

Qs = Cantidad de calor absorbida. C = Calor especifico del material.

1t = Temperatura inicial. 2t = Temperatura final.

m = masa.


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Fuente caliente

Fuente fra

1.5.17. TRANSFERENCIA DE CALOR.

La transferencia de calor es el paso de energa trmica de un cuerpo caliente a uno menos caliente. Cuando un cuerpo fsico, por ejemplo, un objeto o fluido, est a una temperatura diferente a la que estn sus alrededores u otro cuerpo, la transferencia de energa trmica, tambin conocida como transferencia de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y sus alrededores llegan al equilibrio trmico. La transferencia de calor siempre ocurre de un cuerpo caliente a otro menos caliente, (Fig.16), como resultado de la segunda ley de la termodinmica. La transferencia de energa trmica ocurre principalmente a travs de conduccin, conveccin o radiacin. La transferencia de calor nunca puede ser detenida; slo se le puede hacer ms lenta.

Fig. 16 Transferencia de calor de cuerpo caliente al cuerpo fro. 1.5.18. CONDUCCIN.

La conduccin es un proceso de traslado en el cual la transferencia de calor se produce en la substancia de una molcula a otra, o de una substancia a otra que ste en contacto directo con ella. En cualquier caso, las molculas calentadas comunican su energa a las otras que se encuentran inmediatamente adyacentes a ellas. (Fig. 17).

Fig. 17 Transferencia de calor de cuerpo caliente al cuerpo fro por conduccin. 1.5.19. CONVECCIN. Es la transferencia de calor mediante el movimiento. La conveccin implica el movimiento de la substancia calentada y se aplica a los lquidos y gases. Cuando se caliente una porcin cualquier de un fluido, esta se expande, aumentando su volumen por unidad de peso; la porcin calentada es ms ligera y tiene a subir, siendo inmediatamente substituida por una porcin ms fra y ms pesada del fluido. (Fig. 18.)

Conduccin


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Fig. 18 Transferencia de calor de cuerpo caliente al cuerpo fro por conveccin.

1.5.20. RADIACIN. Es la transferencia de calor que no requiere ningn medio para propagarse, pues se propaga en forma de una onda de calor, similar a las ondas de la luz. Todos los cuerpos irradian energa calorfica, estn fros o calientes; cuanto ms caliente se halle un cuerpo, mayor ser el calor que irradie. (Fig.19).

Fig. 19 Transferencia de calor de cuerpo caliente al cuerpo fro por radiacin.

1.5.21. CALOR SENSIBLE. Cuando el calor, absorbido o entregado por un material, causa o acompaa a un cambio de la temperatura del material, el calor se identifica como calor sensible. El calor sensible. El calor sensible slo se refiere a un cambio de temperatura; no causa ninguna modificacin en el estado de la sustancia. Se le denomina porque puede percibirse con el sentido del tacto y se puede medir con un termmetro. 1.5.22. CALOR LATENTE. Cuando al calor, ya sea agregado a un material o entregado por ste, produce o acompaa a algn cambio en el estado fsico del material, el calor se conoce como Calor Latente. El calor latente es el que al extraerse de una substancia produce un cambio de estado en ella, pero no modifica su temperatura durante el tiempo en que tiene lugar este cambio fsico, Se le denomina puesto que existe pero no se manifiesta exteriormente, es decir no puede percibirse con el sentido del tacto y no se registra con el termmetro. 1.5.23. CALOR TOTAL. Es la suma de los calores latentes y sensibles. Segn Mollier se refiri al grupo u + Pv como contenido de calor y calor total.

Conveccin

Radiacin


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jgQL Mxh=

1.5.24. CALOR LATENTE DE FUSIN. La cantidad de calor requerida para fundir un kilogramo de un material, pasndolo de la fase slida a la fase lquida, se le llama calor latente de fusin. Es importante recalcar que el cambio de fase se presenta en la temperatura de fusin, en cualquier direccin, esto es, la temperatura a la cual el slido se funde convirtindose en lquido, es la misma a la cual el lquido se congela formndose en slido. Adems la cantidad de calor que debe entregar un determinado peso de lquido a la temperatura de fusin para solidificarse es exactamente igual a la cantidad de calor qu debe absorber al mismo peso del slido al fundirse, convirtindose en lquido. El calor absorbido o entregado durante el cambio de fase no tiene efecto alguno sobre la velocidad molecular, por lo tanto, la temperatura del material permanece constante durante el cambio de fase y la temperatura del lquido o slido resultante es la misma que la temperatura de fusin. Lo anterior se aplica con precisin absoluta solamente a los slidos cristalinos. Los slidos no cristalinos, por ejemplo: el vidrio, tiene temperatura de fusin indefinida, esto es, la temperatura variara durante el cambio de fase. Sin embargo al calcular cantidades de calor, se supone que la temperatura permanece constante durante el cambio de fase. 1.5.25. CALOR LATENTE DE VAPORIZACIN. La cantidad de calor que tiene que absorber un kilogramo de un lquido para cambiar a vapor se conoce como calor latente de vaporizacin. Cualquier calor que tome un lquido que ha llegado ala temperatura de saturacin, conocida tambin como punto de ebullicin o temperatura de ebullicin, aumenta el grado de separacin molecular, es decir, aumenta la energa potencial interna y la sustancia cambia de la fase de lquido a la fase de vapor. Aqu tambin el cambio de fase se puede presentar en cualquier direccin, en la temperatura de saturacin. Algunos lquidos hierven a temperaturas extremadamente bajas, unos cuantos de estos son: el amoniaco, el oxigeno y el helio, que hierven a temperaturas debajo de 0 C. La cantidad de calor requerida para vaporizar un peso dado cualquiera de lquido a la temperatura de saturacin se calcula de acuerdo con la ecuacin siguiente:

QL = Cantidad de calor en K caloras. M = Masa o peso en kilogramos.

jgh = Calor latente de vaporizacin en Kcal/kg.


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1.5.26. CALOR LATENTE DE SUBLIMACIN. La temperatura de una substancia en estado solid aumenta cuando se le agrega calor a la misma (calor sensible), pero una vez que alcanza cierta temperatura, sta no aumenta cuando se le agrega mas calor, sin embargo, la substancia empieza a cambiar a su estado liquido (se derrite). Si se lleva acabo el proceso inverso, ya sea que se remueva el calor aun liquido, su temperatura bajar, pero finalmente esta se solidificara. 1.5.27. ENTALPA. Es la cantidad de energa de un sistema termodinmico que ste puede intercambiar con su entorno, que puede ocurrir en algunas substancias. El ejemplo ms comn es el uso del hielo seco (bixido de carbono para enfriar). El mismo proceso puede ocurrir con hielo debajo 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 del calor latente de fusin ms el calor latente de evaporacin. Las lneas de entalpa constante son verticales. En un proceso de flujo constante, tal como sucede en un ciclo refrigerante, la entalpa representa el contenido de energa calorfica por cada libra de refrigerante. 1.5.28. ENTROPA. Es la funcin de estado que mide el desorden de un sistema fsico o qumico, y por tanto su proximidad al equilibrio trmico. En cualquier transformacin que se produce en un sistema aislado, la entropa del mismo aumenta o permanece constante, pero nunca disminuye. As, cuando un sistema aislado alcanza una configuracin de entropa mxima, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. Las lneas de entropa constante se extienden tambin desde la lnea de vapor saturado hacia la zona de vapor sobrecalentado y forman un cierto ngulo con las lneas de vapor saturado. Estas lneas aparecen solamente en la zona de sobrecalentamiento por que es donde ordinariamente se requieren los datos de entropa, la cual esta relacionada con la disponibilidad de energa.


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1.5.29. VOLUMEN.

Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. En fsica, el volumen es una magnitud fsica extensiva asociada a la propiedad de los cuerpos fsicos de ser extensos, que a su vez se debe al principio de exclusin de Pauli. La unidad de medida de volumen en el Sistema Mtrico Decimal es el metro cbico, aunque el SI, tambin acepta (temporalmente) el litro y el mililitro que se utilizan comnmente en la vida prctica.

1.5.30. VOLUMEN ESPECFICO. El volumen especfico de un material es el volumen que ocupa un kilogramo de masa de es material. Todo material tiene un volumen especfico. Debido al cambio de volumen que acompaa a un cambio de temperatura, el volumen especifico de cada material segn el rango de temperatura. 1.5.31. TEMPERATURA. No hay que confundir calor con temperara. Todas las substancias tienen dos propiedades trmicas: Temperatura y calor. La temperatura de una substancia es slo una indicacin de su grado de calor, no de la cantidad de calor. El termmetro es el instrumento ms comnmente usado para medir el grado de calor o la temperatura de un cuerpo. Debido a sus temperaturas de congelacin bajas y coeficientes de expansin constantes, los lquidos que se usan ms frecuentemente en los termmetros son el mercurio y el alcohol. Hay tres tipos diferentes de temperatura: Temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo hmedo y temperatura de condensacin. La temperatura de bulbo seco, es la que nos resulta ms familiar, puesto que se mide con el termmetro comn. La temperatura de bulbo hmedo es la que indica un termmetro de bulbo hmedo y ser siempre ms baja que la temperatura de bulbo seco. La temperatura de bulbo hmedo se mide con un termmetro de bulbo seco al cual se le coloca un trapo o pao mojado en el bulbo, el cual se hace girar y al hacerlo, disminuye la temperatura, debido a la evaporacin del agua del trapo. La temperatura de punto de condensacin es aquella a la cual comienza la condensacin del vapor de agua cuando se reduce su temperatura.


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Dos escalas de temperatura son comnmente usadas en la actualidad. La escala Fahrenheit se usa en los pases que han adoptado el sistema mtrico decimal, as como en los trabajos cientficos. Otras dos escalas que se usan actualmente en las mediciones de temperatura son: la escala Kelvin y la Rankine. La escala Kelvin es de temperatura absoluta y se basa en la escala centgrada, la escala Rankine, es tambin de tipo absoluto pero se basa en la escala Fahrenheit. (Vase fig. 20).

Fig. 20 Escalas de temperatura 1.5.32. PUNTO DE EBULLICIN.

El punto de ebullicin de un compuesto qumico es la temperatura que debe alcanzar este para pasar del estado lquido al estado gaseoso; para el proceso inverso se denomina punto de condensacin.

Al llegar al punto de ebullicin la mayora de las molculas es capaz de escapar desde todas partes del cuerpo, no solo la superficie. Sin embargo, para la creacin de burbujas en todo el volumen del lquido se necesitan imperfecciones o movimiento, precisamente por el fenmeno de la tensin superficial.

La temperatura se mantiene constante durante todo el proceso de ebullicin, y el aporte de ms energa slo produce que aumente el nmero de molculas que escapan del lquido. Este hecho se aprovecha en la definicin de la escala de temperatura en grados centgrados.

Un lquido puede calentarse pasado su punto de ebullicin. En ese caso se dice que es un lquido sobrecalentado. (Fig. 21).


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Fig. 21 Grafica con diferentes puntos de ebullicin. 1.5.33. REFRIGERANTE.

Se llama lquido refrigerante a un compuesto qumico fcilmente licuable cuyos cambios de estado se utilizan como fuentes de fro y calor. Los refrigerantes segn la norma americana NRSC (National Refrigeration Safety Code) se dividen en tres grupos:

El agua. El amonaco. Los freones. Entre ellos los R12, R22, R502 y los nuevos gases no perjudiciales

para la capa de ozono.

Caractersticas de los refrigerantes:

Punto de congelacin. Debe de ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema, para evitar congelaciones en el evaporador.

Calor latente de evaporacin. Debe de ser lo ms alto posible para que una pequea cantidad de lquido absorba una gran cantidad de calor.

Volumen.- El volumen especfico debe de ser lo ms bajo posible para evitar grandes tamaos en las lneas de aspiracin y compresin

Densidad. Deben de ser elevadas para usar lneas de lquidos pequeas.


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Presin absoluta. Las presiones de condensacin deben de ser elevadas, para evitar fugas y reducir la temperatura de condensacin.

No son lquidos inflamables, corrosivos ni txicos. Adems, deben de ser miscibles y no nocivos con el aceite, y tener un gran dialctrico.

1.5.34. TONELADA DE REFRIGERACIN. Una tonelada de refrigeracin es el efecto de refrigeracin que produce al licuarse una tonelada de hielo a la temperatura de 32 F en 24 horas. Es por tanto, una variacin de calor por unidad de tiempo, ms bien que una cantidad de calor. Para obtener el equivalente de una tonelada de refrigeracin en BTUs hacemos el siguiente clculo: Una tonelada de hielo en el sistema ingles equivale a 2000 libras, ya vimos que una libra de hielo necesit 144 BTUs para derretirse, as que multiplicando 144 por 2000, obtenemos 288,000 BTUs por da. Dividiendo este valor entre las 24 horas que tiene un da, el resultado es 1 T. R. = 12, 000 BTUs por hora = 200BTU / min. 1.5.35. SOBRECALENTAMIENTO. Una vez vaporizado un lquido, la temperatura aumenta con la adicin de calor. El calor agregado a un vapor despus de la vaporizacin es el calor sensible del vapor, llamado ms comnmente sobrecalentamiento. Cuando la temperatura de un vapor ha aumentado arriba de la temperatura de saturacin, se dice que el vapor esta sobrecalentado. 1.5.36. SUBENFRIAMIENTO. Consiste en enfriar al lquido que sale del condensador, logrando con ello un aumento del coeficiente de efecto frigorfico. Esto se logra mediante el empleo de agua de enfriamiento lo mas fra posible y eligiendo un condensador apropiado. Se define como Subenfriamiento de Lquido en un sistema, al valor de temperatura (F C) de un refrigerante en estado lquido al quitarle calor sensible a partir de su punto de 100% de saturacin Empieza dentro del Condensador con lquido 100 % saturado, hasta el Dispositivo de Control de Lquido. Ver Fig. 22


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Fig. 22 Ejemplo de subenfriamiento de condiciones R-22 y 280 PSI. Una vez que el vapor saturado dentro del Condensador comienza a cambiar de

fase a lquido saturado, el subenfriamiento empieza a ocurrir y calor sensible se rechaza, Recordar que Calor Sensible es calor que causa un cambio de temperatura, por lo que una disminucin en temperatura de lquido saturado en el condensador se considera subenfriamiento.


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CAPITULO II

SELECCIN DEL TIPO DE CONDENSADOR


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2.1. CLASIFICACIN DE CONDENSADORES PARA REFRIGERACIN.

Despus de analizar los diferentes puntos necesarios para llevar a cabo el diseo

de un condensador, se proceder a describir los diversos tipos de condensadores y analizar su funcionamiento.

El condensador es uno de los componentes principales en el ciclo de refrigeracin, que sigue despus del sistema de compresin. Bsicamente es otra unidad de intercambio de calor en la cual el calor que el refrigerante recogi en el evaporador, tambin el que le agreg el compresor, se disipa a algn medio de condensacin. El vapor a alta presin y temperatura que deja el compresor est sobrecalentado, y este sobrecalentamiento se acostumbra eliminar en la tubera de descarga de gas caliente, y en la primera parte del condensador. Al bajar la temperatura del refrigerante a su punto de saturacin, comienza a condensar el vapor en un lquido, que se vuelve a usar en el ciclo. (Vase fig. 23)

Fig. 23 Remocin del calor del refrigerante en un condensador.

Los condensadores pueden tener enfriamiento con algunos fluidos que existen en abundancia, tales como aire o agua son los encargados de llevar el calor fuera del


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sistema; estos fluidos caracterizan al condensador, que por consiguiente puede ser de enfriamiento por aire o por agua.

Los condensadores de enfriamiento por agua son de dimensiones reducidas, ms silenciosos, ms fciles de instalar, permiten mejores presiones y temperaturas de condensacin, y tambin de mejor control de la presin diferencial de las unidades que trabajan; motivo por el cual se les prefiere cuando el uso del agua no resulta prohibitivo por su costo o incmodo por la necesidad de instalar caeras.

Cuando el costo de la energa elctrica es elevado y el agua es barata, conviene el condensador de agua.

Cuando la energa de elctrica es barata y el agua cara, convendr el condensador enfriado por aire que gasta la energa elctrica necesaria por los sopladores del aire de enfriamiento del condensador. Cuando son caras tanto la energa elctrica como el agua, se recurre a los condensadores evaporativos, que consumen poco agua y al mismo tiempo permiten tener una temperatura menor que los del aire, aumentando el rendimiento de la mquina y disminuyendo el consumo de electricidad para una potencia determinada. En la fig. 24 se muestra los tres tipos de condensadores usados comnmente en refrigeracin.

(a) (b) (c) Fig. 24 Condensadores tpicos usados en refrigeracin, (a) condensador enfriado por agua, (b) condensador enfriado por aire, (c) condensador enfriado por agua-aire (evaporativo).

Condensadores enfriados por aire, los refrigeradores domsticos tienen en general un condensador enfriado por aire, que depende del flujo del aire por gravedad para que pase por l. Otras unidades de enfriamiento por aire emplean ventiladores para soplar o succionar grandes volmenes de aire a travs del serpentn del condensador.

La fig. 25 muestra el condensador enfriado por aire depende de un suministro abundante de aire relativamente fro, por que para tener un flujo de calor del refrigerante


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en el condensador, al medio de enfriamiento, el aire debe estar a una temperatura ms baja que la del refrigerante. Hasta cando la temperatura del ambiente es mayor que 100 F, sigue siendo menor que la del refrigerante en el condensador y ste cede algo de calor al regresar a su estado lquido.

Fig. 25 Condensador de tubos aletados enfriados por aire forzado.

Los condensadores enfriados por aire se construyen de manera algo semejante a los dems tipos de cambiadores de calor, con serpentines de tubos de cobre o aluminio con aletas. Los evaporadores deben tener filtros frente a ellos para reducir su obstruccin por el polvo, pelusa y otros materiales; pero los condensadores no tienen esos filtros, y por lo tanto se deben limpiar con frecuencia para evitar la reduccin e su capacidad.

Es recomendable instalar este condensador en el exterior, junto a una construccin o en un techo plano. En ese lugar, al aire libre, se dispone de un suministro adecuado de aire de enfriamiento, a la temperatura ambiente del exterior, y con ello se evitan las temperaturas indeseables en la construccin. El movimiento de aire por el serpentn se provoca ya sea por medio de un ventilador centrfugo movido por bandas o uno de hlice con acoplamiento directo. El ventilador de baja velocidad y aspas anchas mueve el volumen necesario de aire sin originar demasiado ruido.

Este tipo de condensadores puede armarse en cualquier combinacin de unidades

que se necesiten para la eliminacin requerida de calor. El aire puede succionarse o soplarse por los serpentines. El otro diseo, un solo condensador puede tener ms de un circuito

De la disposicin de su serpentn, de modo que se puede usar con varios evaporadores y compresores separados.


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Pueden surgir dificultades con los condensadores enfriados por aire si se trabajan a bajas temperaturas ambiente, a menos que se tomen las debidas precauciones para mantener las presiones normales para la unidad.

En la prctica, todas las unidades de refrigeracin de potencia menor que un caballo de vapor usan condensadores enfriados por aire, debido a su simplicidad. Generalmente, un sistema de refrigeracin que use un condensador enfriado por aire funciona con una temperatura de condensacin ligeramente superior (en unos 41 F ) a la de un sistema que use un condensador enfriado con agua por una torre de enfriamiento. La razn esta en que un condensador enfriado por aire, la temperatura seca del aire es la que controla la temperatura de condensacin cuando utiliza un condensador de evaporacin o torre de enfriamiento.

Por otro lado, el condensador enfriado por aire no necesita agua, y no existen los peligros de formacin de incrustaciones, corrosiones o congelacin.

2.2. CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA

Hay cuatro tipos bsicos de condensadores enfriados por agua: 1.- De doble tubo. 2.- De envolvente y tubo vertical abierto. 3.- De envolventes y tubos horizontales. 4.- De envolvente y serpentn. 2.2.1. CONDENSADORES DE DOBLE TUBO

Consiste en dos tubos dispuestos de tal manera que uno queda dentro del otro

concntricamente, se puede clasificar como condensador de combinacin enfriado por agua y aire, tiene el refrigerante pasando por el tubo exterior, en el que queda expuesto al efecto enfriador del aire que pasa naturalmente por el exterior de los tubos exteriores, mientras se hace circular aire por los tubos interiores, el agua entra por los tubos inferiores y sale por la parte superior. De este modo se obtiene la eficiencia mxima, por que el agua ms fra puede eliminar algo de calor del refrigerante en estado lquido y con ello lo subenfra. Entonces, el agua ms caliente todava puede absorber calor del vapor, ayudando al proceso de condensacin. (Vase fig. 26).


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Fig 26 .Intercambiadores de calor de tubo doble

Es deseable tener a los fluidos en contraflujo, para cualquier cambiador de calor, ya que con esto tiene diferencia de temperatura media, entre los fluidos de ms alto valor y por lo tanto, la razn ms alta de transferencia de calor.

Entrada del agua vapor refrigerante

Salida del agua

Salida del refrigerante condensado

Entada del agua

Agua

Refrigerante


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2.2.2. CONDENSADORES DE ENVOLVENTE Y TUBO VERTICAL ABIERTO

En instalaciones grandes como amoniaco, se usan condensadores tipo acorazados colocados verticalmente. La construccin de condensadores tipo acorazado verticales es muy similar a la de los enfriadores tipo acorazado.

Fig. 27Condensador acorazado vertical Espira-Inund diseado para trabajar inundado. El agua

fluye hacia abajo a travs de los tubos dndole un efecto de remolino por toberas diseadas especialmente (insertadas).

El condensador vertical esta equipado con una caja de agua en su parte superior, para distribuir el agua a los tubos y para el drenado del agua por el fondo. Cada uno esta equipado en su parte superior con un distribuidor ajustable el cual imparte movimiento de rotacin al agua a fin de asegurar una adecuada humedad sobre el tubo. El vapor refrigerante caliente por lo general entra al cilindro por el centro del

Entrada de agua Alimentacin del

refrigerante

Salida del refrigerante Tobera intercalada


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condensador y el lquido sale del condensador cerca de la parte inferior del mismo. La altura de los condensadores acorazados vara entre 12 y 18 pies. Son ideales para instalaciones donde se tiene agua de mala calidad y algunas otras condiciones que causan la formacin rpida de incrustaciones ya que se limpian con facilidad mecnicamente mientras el sistema esta en operacin. 2.2.3. CONDENSADOR DE CORAZA ENVOLVENTE Y TUBOS HORIZONTAL

Los condensadores de coraza y tubo consisten en un tubo de acero en el cual se

tiene un determinado nmero de tubos colocados paralelamente y unidos en los extremos a un cabezal de tubos. Su construccin es casi idntica a los enfriadores tipo acorazado de lquido inundado. El agua condensante circula a travs de los tubos, los cuales pueden ser de acero o de cobre, descubiertos o de superficie alargada. El refrigerante esta contenido en el cilindro de acero entre los cabezales de tubos. El agua circula entre los espacios anulares entre el cabezal de tubos y las placas extremas, las placas de los extremos tienen desviadores que actan como distribuidores para guiar la corriente de agua que atraviesa los tubos. La distribucin de los desviadores de las placas de los extremos determina el nmero de pasos de agua a travs del condensador desde un extremo hasta el otro antes de la salida del condensador. El nmero de pasos puede ser desde dos hasta veinte o ms.(vase fig. 28)

Fig.28 Intercambiadores de calor de coraza y tubo.

Para cualquier nmero de tubos estipulados, el nmero de tubos por paso vara inversamente con el nmero de pasos.

Por ejemplo suponiendo que un condensador tenga un total de cuarenta tubos, si hay dos pasos, el nmero de tubos por paso es de veinte, que para cuatro pasos, el nmero de tubos por paso es de diez


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Los condensadores de casco y tubo estn disponibles en capacidades que fluctan desde 2 hasta varios cientos de toneladas de refrigeracin. El dimetro vara de 4 hasta 60 plg y la longitud vara aproximadamente desde 3 pies hasta 20 pies. El nmero y dimetro de los tubos depende del dimetro del cilindro. Son comunes los dimetros de tubo de 5/8 de plg hasta 2 plg; el nmero de tubos en el condensador desde 6 u 8 hasta tantos como mil o ms. Las placas de los extremos del condensador se pueden quitar para hacer limpieza mecnica de los tubos. 2.2.4. CONDENSADOR DE ENVOLVENTE Y SERPENTN

Si en lugar de varios tubos dentro de la coraza del condensador, hay uno o ms

serpentines armados a travs de los cuales pasa el agua para eliminar el calor del vapor que se condensa, se dice que el condensador es de envolvente y serpentn. Estos son construidos de uno o ms tubos descubiertos o de serpentn y tubos aletados encerrados en un cilindro de acero soldado (Fig. 29). El de tubos aletados es el intercambiador de calor compacto ms comnmente empleado. La configuracin de la aleta puede ser rectangular o circular, continua o individual; a su vez la geometra para los tubos puede ser circular, plana u oval. En operacin, parte o toda la superficie de la aleta puede ser cubierta por una pelcula de agua producida por la condensacin del vapor de agua en la corriente de aire entrante.

El agua condensante circula a travs del serpentn mientras que el refrigerante est contenido en

diseño de un condensador de coraza y tubos

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