FECHA 04 de Julio de 2006 NMERO RAE PROGRAMA Ingeniera Mecatrnica AUTOR (ES) RAMREZ, Carolanne y VILLAMIL, Leonel. TTULO DISEO Y SIMULACIN DE MDULO PARA EXTRACCIN Y

RECICLAJE DEL GAS REFRIGERANTE R-22 PARA EQUIPOS DE REFRIGERACIN EN LA ARMADA NACIONAL DE COLOMBIA

PALABRAS CLAVES Refrigeracin

Extraccin Reciclaje R-22 Modulo

DESCRIPCIN A raz de la industrializacin mundial, las empresas comenzaron la

adquisicin de nueva maquinaria y la invencin de productos y procesos, que aunque representaron un gran avance para la humanidad, trajeron consigo serios problemas de contaminacin ambiental, debidos entre otros al uso de productos qumicos como el refrigerante R-22. El uso de refrigerantes a base de clorofluorocarbonos (CFC) fu, a mediados del siglo XX, una herramienta de utilidad incomparable para la industria y los consumidores, inocuas para los seres humanos y el medio ambiente, muy estables, no inflamables ni venenosos, fciles de almacenar y baratos de producir. Estos se utilizaron en refrigeradores, congeladores, acondicionadores de aire, aerosoles y plsticos expansibles, que hicieron la vida ms cmoda y brindaron confort y seguridad en muchos procesos. Aunque el uso de CFCs fu de gran ayuda para la industria de la construccin, automotrz y la fabricacin de envases, la limpieza de equipos de computacin y otros circuitos electrnicos, no se pens nunca en el grave dao que se provocara hasta que en 1972 este gran descubrimiento pas a ser uno de los desastres ambientales ms grandes de la historia, ya que la liberacin de estas sustancias promueven la destruccin de la capa de ozono que trae consigo desde problemas de salud en humanos y animales, hasta graves desrdenes ecolgicos. Esta preocupacin ha sido tomada muy en cuenta por los gobiernos de todos los pases del mundo, quienes acordaron adoptar las medidas necesarias para solucionar el problema de la liberacin o escape de los gases refrigerantes al medio ambiente, tales como la firma del Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Capa de Ozono, que prohbe toda su forma de comercio a partir del ao 2010 y que propone el uso de otras sustancias.

Adicionalmente se han propuesto procedimientos de recuperacin y reciclaje con el fin de controlar el escape de CFCs en la maquinaria que aun sigue empleando dichas sustancias, de donde surge una solucin a travs del diseo de un mdulo para la extraccin y reciclaje del refrigerante R-22.

FUENTES BIBLIOGRFICAS ALARCN CREUS, Jos. Tratado prctico de

refrigeracin automtica. 12 ed. Barcelona: Alfaomega, 1994 BROSNAN, Colleen. Manual de aire acondicionado y refrigeracin Tomo 1, 2da edicin. Mxico: Prentice Hall hispanoamericana S.A, 1994 CLODIC, D. Vademcum de la recuperacin de los CFC. Espaa: A. Madrid Vicente, 1993 CONAN, Jean Georges. Refrigeracin industrial. Madrid: Paraninfo, 1990 DUPONT. El refrigerante Freon 22 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TCNICAS Y CERTIFICACIN. Compendio - tesis y otros trabajos de grado. Bogota D.C.: ICONTEC, 2002 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TCNICAS Y CERTIFICACIN. Compendio de dibujo tcnico. Bogota D.C.: ICONTEC, 2004 INCROPERA, Frank P. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999 JENSEN, C. H. Dibujo y diseo de ingeniera. Mxico: Mc Graw Hill, 1999. KOELET P.C. Fro industrial: fundamentos, diseo y aplicaciones. Espaa: A. Madrid Vicente, 1997

MIRANDA BARRERA, ngel Lus. Evaporadores. Barcelona: Ceac S.A, 1994 MUNSON, Bruce R. Fundamentos de mecnica de fluidos. Mxico: Limusa S.A, 1999 OGATA, Katsuhiko. Ingeniera de control moderna. Madrid: Prentice Hall, 2003 PINAZO OJER, J.M. Curso de ingeniera del fri. Segunda edicin. Espaa: A. Madrid Vicente, 1993 RAMREZ MILLARES, Juan Antonio. Refrigeracin. Barcelona: Ceac S.A, 1994 SNCHEZ PINEDA DE LAS INFATIAS, M Teresa. Ingeniera de las instalaciones trmicas agroindustriales. Crdoba: Servicio de publicaciones, Universidad de Crdoba, 1998 VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de termodinmica. 2da ed. www.amucoinc.com/AmucoS-MaquinasRefrigeracion www.copeland corp.com/ameritas www.embraco.com.br/catalog www.gas-servei.com www.minambiente.gov.co/ozono www.minambiente.gov.co/ozono/pne www.yellowjacket.com/pr

NMERO RAE PROGRAMA Ingeniera Mecatrnica CONTENIDOS INTRODUCCIN: Se plante el problema con sus causas y sus

posibles soluciones. MARCO DE REFERENCIA: se analiza los aspectos legales y tericos del problema y sus soluciones METODOLOGA: se analiza la forma de resolver las solucione al problema DESARROLLO INGENIERIL: se resuelve el problema

NMERO RAE PROGRAMA Ingeniera Mecatrnica METODOLOGA 1.

Lnea de investigacin USB: Tecnologas actuales y sociedad. Sub-lnea de facultad: Instrumentacin y control de procesos. Campo temtico: Diseo, instrumentacin y control de procesos

de manufactura. 2. Una de las principales fuentes de consulta son los archivos o documentos que se encuentren en Internet, y libros, cuya bibliografa puede ser facilitada por personas conocedoras del tema, relacionados con el tema de refrigeracin y/o gases refrigerantes, sin olvidar los catlogos y textos especializados en cada una de las partes del mdulo. 3. La cantidad de equipos de refrigeracin existentes en la Armada Nacional, clasificados en por su carga mxima en intervalos de 10 libras, entre estos equipos encontramos, cuartos fros, sistemas de aire acondicionado, paquetes centrales de refrigeracin, aires acondicionados de ventana, neveras, entre otros. 4. Para el problema que tiene la Armada Nacional, en cuanto al escape de gas refrigerante que se presenta en los equipos de refrigeracin, se disear un mdulo lo ms compacto posible, que sirva para ser empleado en equipos con refrigerante R-22 con una capacidad menor a 60 libras. Debido a que en Colombia algunas empresas cuentan con dispositivos extractores y recicladores por separado, siendo el extractor el ms compacto, se desea que el mdulo exceda en una baja proporcin el tamao y el peso de este ltimo. El mdulo tendr las secciones de extraccin y reciclaje contenidas en una sola, siendo esta ltima la ms eficiente para permitir la reutilizacin del gas sin ninguna clase de problema. Debido a las ventajas que el mdulo ofrece, la Armada Nacional podr ahorrar dinero en cuanto a la adquisicin del R-22 y se evitar la compra de nuevos equipos que empleen otros refrigerantes. 5. Una de las principales variables que puede afectar el proyecto

es la econmica, debido a que el mdulo no se construye en Colombia y es necesario importarlo, adicionalmente la Armada Nacional no cuenta con la un gran presupuesto para la adquisicin de los equipos. Otra variable que puede afectar el proyecto es el tamao y el peso del mdulo, pues la nica referencia que se tiene es la de las mquinas extractoras, as que es muy difcil estimar un tamao y peso ideal del mdulo, ya que contiene dos en una sola, adicional a sto en el mercado colombiano slo se encuentran partes de gran tamao, lo que complica an ms la situacin. Sealar los pasos y tcnicas metodolgicas empleados en el trabajo, es decir:

CONCLUSIONES El resultado obtenido, el modulo, cumple con los objetivos

propuestos, es ligero, compacto, y funcional, las partes que lo componen son de la mas alta calidad y reconocimiento en el mercado colombiano, adicionalmente se diseo en base a las normatividades de pases europeos como Francia. En el desarrollo de este proyecto se encontr gran variedad de informacin sobre el tema de equipos de refrigeracin, de su principio de funcionamiento, de las partes bsicas que lo componen, hasta los accesorios que lo convierten de un equipo sencillo a uno de gran versatilidad. A pesar de esto no se encontr suficiente informacin sobre equipos de extraccin y reciclaje de refrigerantes. Inicialmente el factor determinante para la seleccin de los equipos de refrigeracin, pertenecientes a La Armada Nacional de Colombia, para los cuales se disea el mdulo fue una capacidad mxima de refrigerante de 60 libras o menos Despus de realizar el diseo del mdulo se encontr que el factor determinante es la presin del equipo, esta debe ser menor a 34.47 Bar que es la capacidad mxima de la vlvula de expansin. Para la construccin y seleccin de los elementos que conforman el mdulo es de gran importancia tener presentes las propiedades fsicas y qumicas del refrigerante, pues la mala seleccin de alguno de estos puede generar reacciones qumicas que perjudicaran el proceso de extraccin y reciclaje. Esta seleccin debe hacerse con cuidado y teniendo en cuenta que el refrigerante se puede encontrar tanto en estado lquido como en vapor. Adicionalmente se debe asegurar que la potencia frigorfica de los elementos seleccionados sea suficiente para asegurar el correcto funcionamiento del mdulo en caso de emergencia.

Dos factores importantes para la eficacia de la extraccin son, la cantidad de refrigerante a extraer lo que asegura el calculo del numero de cilindros de recuperacin necesarios teniendo presente que no se puede superar el 80% de la capacidad mxima del cilindro, y las posibilidades de acceso a este pues se pueden encontrar lugares para la conexin del modulo de extraccin de difcil acceso. Existe gran cantidad de elementos para la construccin del modulo, con empresas de gran reconocimiento y gran trayectoria en el mercado de la refrigeracin, lo que permite tener una gama alta de productos, diversidad de precios, tamaos, entre otros. Sin embargo no todas las empresas brindan la informacin suficiente o necesaria lo que obstruye el desarrollo de la investigacin. La simulacin del mdulo brinda la seguridad de que ste trabajar bajo las condiciones de presiones de evaporacin y condensacin bajo las cuales fue diseado.

DISEO Y SIMULACIN DE MDULO PARA EXTRACCIN Y RECICLAJE DEL GAS REFRIGERANTE R-22 PARA EQUIPOS DE REFRIGERACIN EN

LA ARMADA NACIONAL DE COLOMBIA

CAROLANNE RAMREZ ROMERO LEONEL FERNANDO VILLAMIL CALDERN

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA MECATRNICA BOGOT, D.C

2006

DISEO Y SIMULACIN DE MDULO PARA EXTRACCIN Y RECICLAJE DEL GAS REFRIGERANTE R-22 PARA EQUIPOS DE REFRIGERACIN EN

LA ARMADA NACIONAL DE COLOMBIA

CAROLANNE RAMREZ ROMERO LEONEL FERNANDO VILLAMIL CALDERN

TESIS DE GRADO

Asesor Ingeniero HCTOR MANUEL VEGA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA MECATRNICA BOGOT, D.C

2006

Pgina de aceptacin ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________

_________________________ Firma jurado

_________________________ Firma jurado

_________________________ Firma asesor

_________________________ Firma asesor metodolgico

Bogot, D.C, 09 de Junio de 2006

DEDICATORIA

Dedicada especialmente a mis abuelos Chelita y Pedro, quienes depositaron toda su confianza en mi, a mis abuelos Marquitos y Tere, quienes me aman incondicionalmente aunque Tere ya no este conmigo, a mis padres Orlando y Patricia, quienes con su amor y apoyo han hecho que yo sea una mejor persona y una talentosa profesional y a mi gran amor Leonel.

Carolanne Ramrez Romero

DEDICATORIA

Dedicada especialmente a mi abuelita Ins a quien quiero con todo mi corazn, a mis queridos padres Leonel y Yolanda quienes con su amor y apoyo han contribuido a mi formacin personal y profesional, porque siempre creyeron en mi y porque son parte de mi inspiracin para ser mejor cada da y al amor de mi vida Carolanne.

Leonel Fernando Villamil Caldern

AGRADECIMIENTOS

Queremos expresar nuestros agradecimientos: Al Teniente de fragata Agustn Montenegro Crdenas, de la direccin del medio ambiente de la Armada Nacional de Colombia, quien nos brindo la oportunidad de desarrollar este proyecto. A Fernando Samudio, Tcnico en refrigeracin, por su ayuda, asesoramiento y colaboracin durante todo el desarrollo de nuestra investigacin y por brindarnos los conceptos bsicos de refrigeracin. A Leonel Villamil Mendoza, Ingeniero Mecnico, por su aporte para el desarrollo del presente trabajo en diferentes aspectos, sobretodo por sus opiniones y sugerencias. A nuestro tutor de tesis, Ingeniero Hctor Manuel Vega, por la ardua tarea que ha representado la revisin de este trabajo. A nuestros padres, Gloria patricia Romero, Edgar Orlando Ramrez, Luz Yolanda Caldern y Leonel Villamil Mendoza, por su apoyo, comprensin y confianza durante estos aos de estudio. A nuestros abuelos, Marco Aurelio Romero, Ana Araceli Ramrez, Pedro Elas Ramrez y Maria Ins Boada de Caldern, por su amor y su apoyo incondicional. A Ana Boada de Rodrguez y Roberto Rodrguez Rodrguez. A todos los profesores de la Universidad de San Buenaventura, por sus aportes durante toda la carrera. A nuestros familiares, amigos y compaeros, quienes siempre estuvieron con nosotros.

GLOSARIO

ACEITES MINERALES: Aceites provenientes del petrleo BOMBA DE CALOR O REFRIGERADOR: Dispositivo que funciona en un ciclo, que requiere trabajo y que cumple el objetivo de transferir calor desde un cuerpo a baja temperatura a un cuerpo a temperatura elevada. CALOR: Es una forma de energa que, a una temperatura dada, se transfiere a travs de los lmites de un sistema a otro sistema (o a su entorno) que esta a una menor temperatura y que sucede en virtud de la diferencia de temperatura entre los dos sistemas, es decir, se transfiere calor del sistema a la temperatura mas alta al sistema a la temperatura mas baja.

CFC: Gases denominados clorofluorocarbonos utilizados principalmente para la refrigeracin. CLOROFLUOROCARBONOS: Gases formados por cloro, flor y carbono EL PROTOCOLO DE MONTREAL: Acuerdo internacional que pretende la reduccin y eliminacin del de los gases clorofluorocarbonados. ELASTMEROS: Materia natural o artificial que, como el caucho, tiene gran elasticidad. EXTRACCIN DE REFRIGERANTES: Recuperar el refrigerante del sistema de refrigeracin, con el fin de ser almacenado, reciclado regenerado o transportado. FLUJO MSICO: Cantidad de masa de una sustancia a una determinada presin y temperatura que atraviesa por un punto determinado en una unidad de tiempo.

FOSGENO: COCL2, Gas extremadamente toxico. FRIO: Es un trmino relativo, que describe el nivel de energa, o temperatura, de un objeto o rea, en comparacin con un nivel o temperatura conocido. FUGAS DE REFRIGERANTE: En equipos donde el refrigerante esta a una presin superior a la atmosfrica es el escape en forma liquida o de gaseosa por una abertura; para equipos donde el refrigerante esta a una presin menor que la atmosfrica es una entrada de aire al sistema. HCFC: Gases formados por cloro, hidrogeno, flor y carbono. HFC: Gases formados por hidrogeno, flor y carbono. MQUINA TRMICA: Dispositivo que funciona en un ciclo termodinmico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a travs de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. NRE: Efecto neto de refrigeracin, diferencia de entalpas entre la entrada y la salida del evaporador. NYLON: Resina sinttica. ODP: Potencial de agotamiento de la capa de ozono, relacin establecida para cada unidad de masa de gas emitida por ao a la atmsfera en caudal continuo, medido en relacin a la unidad de masa del R-11 POLISTERES: Polmeros de un ster que se obtienen por condensacin de dicidos orgnicos con polialcoholes. Se utilizan en la industria de los plsticos para la fabricacin de pinturas, barnices, fibras textiles y, armado con fibra de vidrio, en la obtencin de materias plsticas aptas para la construccin de carroceras de automviles y cascos de embarcaciones. PVC: Siglas con que se designa el policloruro de vinilo. R-11: Gas clorofluorocarbonado. R-22: Gas hidroclorofluorocarbonado. RECICLAJE DE REFIRGERANTES: Reducir las contaminaciones de un fluido refrigerante ya utilizado, reduciendo las concentraciones de aceite, agua, cidos y partculas slidas, este procedimiento no necesita de anlisis qumico, la nica salvedad es que el refrigerante reciclado no podr se utilizado en otro equipo de refrigeracin diferente a donde se ha extrado.

RECUPERACIN DE REFIRGERANTES: Recoger y almacenar los refrigerantes procedentes de maquinaria, equipo, receptculos, etc., en el curso del mantenimiento o antes de su eliminacin. REFRIGERACIN: Es la transferencia de calor de un lugar a otro por medio de un cambio de estado de un lquido creando una diferencia en el nivel de energa trmica. REFRIGERACIN MECNICA: Consiste en emplear el trabajo de componentes mecnicos dispuestos en un sistema para transferir energa trmica de un lugar a otro. REFRIGERANTES: Son sustancias qumicas que se usan para absorber calor. Y que por sus propiedades fsicas y termodinmicas que los hacen ideales para una variedad de usos REGENERACIN DE REFRIGERANTES: La reelaboracin y purificacin de una sustancia controlada y recuperada, mediante mecanismos como el filtrado, el secado, la destilacin y el tratamiento qumico a fin de establecer el estndar de rendimiento especificado de las sustancias. SAOs: Sustancias agotadoras de ozono. SENA: Servicio nacional de aprendizaje. SUSTANCIA DE TRABAJO O FLUIDO DE TRABAJO: Sustancia a la cual y desde la cual se transfiere calor. En el mdulo se considera al refrigerante como la sustancia de trabajo. UTO: Unidad tcnica de ozono.

CONTENIDO

pg.

INTRODUCCIN 20 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21 1.1 ANTECEDENTES 21 1.2 DESCRIPCIN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 24 1.3 JUSTIFICACIN 25 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 26 1.4.1 Objetivo general 26 1.4.2 Objetivos especficos 26 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 27 1.5.1 Limitaciones 27 1.5.2 Alcances 27 2. MARCO DE REFERENCIA 29 2.1 MARCO CONCEPTUAL 29 2.2 MARCO LEGAL 38 2.3 MARCO TERICO 40 2.3.1 Equipos de refrigeracin 40 2.3.2 R-22 43 2.3.3 Extraccin de refrigerantes 45 2.3.3.1 Extraccin y reciclaje del refrigerante en estado liquido 45

2.3.3.2 Extraccin y reciclaje del refrigerante en estado gaseoso 47 2.3.4 Evaporador y condensador 51 2.3.5 Compresor 52 2.3.6 Bomba de vaco 53 2.3.7 Reciclaje de refrigerantes 54 2.3.7.1 Contaminaciones en los refrigerantes 54 2.3.7.2 Mtodos de filtracin 56 2.3.8 Carga del cilindro de recuperacin 57 2.3.9 Tubera para refrigeracin 59 2.3.9.1 Tubera para la lnea de succin 60 2.3.9.2 Tubera de gas caliente 61 2.3.9.3 Tubera de drenado del condensador 61 2.3.9.4 Tubera de lquido 61 2.3.9.5 Tubera de los intercambiadores de calor 61 2.3.10 Procedimientos adicionales 62 2.3.10.1 Fugas en los equipos de refrigeracion 62 2.3.10.2 Mtodos de deteccin de fugas 62 3. METODOLOGA 61 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN 61 3.2 LNEA TEMTICA DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMTICO 61 3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN 62 3.4 MUESTRA 62

3.5 HIPTESIS 63 3.6 VARIABLES 64 3.7 PLAN DE ANLISIS 64 4. DESARROLLO INGENIERIL 65 4.1 ESQUEMA GENERAL DEL MODULO 65 4.2 DIAGRAMA PRESIN ENTALPA PARA EL MDULO 65 4.3 ECUACIONES GENERALES PARA EL DISEO 65 4.3.1 Evaporador 65 4.3.2 Intercambiadores de calor 65 4.3.3 Compresor 51

4.3.4 Condensador 52 4.3.5 Bomba de vaco 53 4.4 DISEO Y SELECCIN 65 4.4.1 Potencia frigorfica 66 4.4.2 Diseo del compresor 66 4.4.3 Diseo del evaporador 69 4.4.4 Diseo del condensador 70 4.4.5 Seleccin del ventilador 70 4.4.6 Diseo de la bomba de vaco 72 4.4.7 Seleccin de la tubera 73 4.4.8 Seleccin de los filtros 74 4.4.9 Cilindro de recuperacin 75 4.4.10 Seleccin de la bscula 79

4.4.11 Vlvula de expansin 80 4.4.12 Vlvulas solenoides 84 4.4.13 Carga del refrigerante 89 4.5 PARTES ELCTRICAS Y ELECTRNICAS 98 4.5.1 Elementos de proteccin y de control 101 4.5.1.1 Control y proteccin para el compresor 101 4.5.1.2 Control y proteccin para la bomba de vaco 102 4.5.1.3 Control y proteccin para las bobinas de las vlvulas solenoides 102 4.5.2 Interruptor o selector general 103 4.5.3 Pulsador de enclavamiento 104 4.5.4 Pedal 104 4.5.5 Acople de potencia 104 4.5.6 Elementos primarios de control 108 4.5.6.1 Bscula 108 4.5.6.2 Sensores de presin 112 4.5.6.3 Sensor de temperatura 112 4.5.7 Elementos de visualizacin 113 4.5.7.1 Pantalla de cristal lquido (LCD) 113 4.5.7.2 Balizas 113 4.5.7.3 Led 114 4.5.8 Microcontrolador 114 4.5.8.1 Funciones del microcontrolador 115 4.5.8.2 Diagrama de flujo del microcontrolador 120

4.5.9 Conversor AC/DC o fuente de voltaje(120VAC/12Vdc) 129 4.5.10 Elemento de proteccin del sistema electrnico 129

4.5.11 Elemento de proteccin del sistema elctrico 130 4.6 DISEO DE LA CARCAZA Y SELECCIN DE ACCESORIOS 130 4.6.1 Teclado matricial 130 4.6.2 Perfil para ubicacin de accesorios 130 4.6.3 Canaleta 131 4.6.4 Carcaza 131 4.7 CABLEADO DE CONTROL Y POTENCIA 131 4.7.1 Conductores 131 4.7.2 Clasificacion segn el numero de conductores 131 4.7.3 Clasificacion de los conductores de acuerdo a su empleo 131 4.7.4 Dimensionamiento de conductores electricos 131 4.7.5 Dimensionamiento por voltaje de perdida 131 4.7.6 Diseo del cableado para el modulo 131 4.8 SIMULACIN 131 4.8.1 Simulacin de la variable presin 133 4.8.2 Simulacin de la variable temperatura 142 5. PRESENTACIN Y ANLISIS DE RESULTADOS 144 5.1 SIMULACIN DEL COMPORTAMIENTO DE LAS VARIABLES DEL MDULO 144 5.1.1 Funciones de transferencia 144 5.1.2 Simulacin en matlab 145

5.2 SIMULACIONES ELCTRICAS 151 6. CONCLUSIONES 152 7. RECOMENDACIONES 154 BIBLIOGRAFA 155 ANEXOS 157

LISTA DE TABLAS

pg.

Tabla 1 Propiedades fsicas y qumicas del R-22 30

Tabla 2 Especificaciones nominales de tubing de cobre 30 Tabla 3 Equipos de refrigeracin en la Armada nacional 63 Tabla 4 Datos de desempeo de la unidad condensadora 77 Tabla 5 Datos de desempeo del compresor 78 Tabla 6 Datos obtenidos en el ciclo trmico 91 Tabla 7 Corriente suministrada por la fuente de voltaje 129 Tabla 8 Corriente suministrada por la fuente para el sistema elctrico 130 Tabla 9 Temperaturas de saturacin para presiones de 1 Bar a 15 Bar 138

LISTA DE FIGURAS

pg.

Figura 1 Ciclo de reciclaje 23 Figura 2 Maquinas extractoras 23 Figura 3 Curva de equilibrio del R-22, Presin saturacin vs. Temperatura de saturacin 29 Figura 4 Ciclo de refrigeracin 31 Figura 5 Bomba de vaci 32 Figura 6 Compresor alternativo 33 Figura 7 Compresor rotativo 33 Figura 8 Filtro 34 Figura 9 Medida comercial del dimetro de tuberas para refrigeracin 35 Figura 10 Diagrama presin entalpa 41 Figura 11 Diagrama presin entalpa para el ciclo de refrigeracin 42 Figura 12 Esquema de un intercambiador de calor 46 Figura 13 Extraccin de refrigerante por bomba centrifuga 53 Figura 14 Extraccin de refrigerante lquido por compresor 53 Figura 15 Extraccin de vapor de refrigerante por compresor 54 Figura 16 Extraccin de vapor de refrigerante por bomba de vaci y compresor 55 Figura 17 Esquema general del modulo 65 Figura 18 Seleccin de clculo con propiedades de saturacin 67 Figura 19 Seleccin de propiedades de saturacin frente a la temperatura 67

Figura 20 Propiedades de saturacin del R-22 para T=0 68 Figura 21 Seleccin de propiedades de saturacin frente a la presin 69 Figura 22 Propiedades de saturacin del R-22 para P entre 5 Bar y 10 Bar 69 Figura 23 Seleccin de clculo con vapor sobrecalentado 71 Figura 24 Ingreso de datos de vapor sobrecalentado 71 Figura 25 propiedades del R-22 sobrecalentado para P=5.5 Bar 72 Figura 26 Seleccin de clculo del ciclo trmico 73 Figura 27 Condiciones de simulacin del ciclo trmico 74 Figura 28 Propiedades del R-22 en el ciclo trmico 75 Figura 29 Ciclo trmico del R-22 76 Figura 30 Propiedades de saturacin del R-22 para T=5C 79 Figura 31 Ciclo trmico del refrigerante en el modulo 90 Figura 32 Electrovlvula de 2 vas 2 posiciones 97 Figura 33 Diagrama del sistema elctrico y electrnico 99 Figura 34 Esquema del microcontrolador 100 Figura 35 Acople de potencia con transistores 104 Figura 36 Etapa de amplificacin no inversora 110 Figura 37 Ubicacin de entradas, salidas, vlvulas y sensores en el mdulo 115 Figura 38 Curva de Temperatura vs. Presin del R-22 en saturacin 139 Figura 39 Ajuste polinomial a la curva Temperatura vs. Presin 140 Figura 40 Respuesta del sistema con entrada escaln de 30 Bar 148 Figura 41 Respuesta del sistema con entrada y=20 t 149 Figura 42 Respuesta del sistema con entrada y=30 0.5* t^2 150

LISTA DE ANEXOS pg.

Anexo A Ficha tcnica de la unidad condensadora UNE3213E 157 Anexo B Ficha tcnica de la bomba de vaci modelo 15400 159 Anexo C Ficha tcnica de la vlvula de expansin modelo ESVB 1 160 Anexo D Ficha tcnica de los filtros 162 Anexo G Ficha tcnica de las vlvulas solenoides modelo 100RB 2S2 VLC 169 Anexo H Ficha tcnica de los rels y disyuntores 171 Anexo I Ficha tcnica del interruptor o selector general XB6-CGC5B 174 Anexo J Ficha tcnica del pulsador de enclavamiento XB6-AS8349B 175 Anexo K Ficha tcnica del pedal 176 Anexo L Ficha tcnica del transistor 2N2222 176 Anexo M Ficha tcnica de la bscula y el AMOP LM 336 177 Anexo N Ficha tcnica del sensor de presin y temperatura 179 Anexo O Ficha tcnica de la pantalla de cristal lquido (LCD) 182 Anexo P Ficha tcnica de las balizas 184 Anexo Q Ficha tcnica del microcontrolador MC68HC908GP32 de Motorota 186 Anexo R Ficha tcnica de la fuente de voltaje 187 Anexo S Ficha tcnica del reductor de voltaje LM7805C 189 Anexo T Programa para clculos del compresor 190

Anexo U Programa para clculos del evaporador 191 Anexo V Programa para clculos del condensador 193 Anexo W Programa para clculos de las reas de los intercambiadores 194 Anexo X Circuito impreso del mdulo 195 Anexo Y Diagrama de conexin del microcontrolador 196

INTRODUCCIN A raz de la industrializacin mundial, las empresas comenzaron la adquisicin de nueva maquinaria y la invencin de productos y procesos, que aunque representaron un gran avance para la humanidad, trajeron consigo serios problemas de contaminacin ambiental, debidos entre otros al uso de productos qumicos como el refrigerante R-22. El uso de refrigerantes a base de clorofluorocarbonos (CFC) fu, a mediados del siglo XX, una herramienta de utilidad incomparable para la industria y los consumidores, inocuas para los seres humanos y el medio ambiente, muy estables, no inflamables ni venenosos, fciles de almacenar y baratos de producir. Estos se utilizaron en refrigeradores, congeladores, acondicionadores de aire, aerosoles y plsticos expansibles, que hicieron la vida ms cmoda y brindaron confort y seguridad en muchos procesos. Aunque el uso de CFCs fu de gran ayuda para la industria de la construccin, automotrz y la fabricacin de envases, la limpieza de equipos de computacin y otros circuitos electrnicos, no se pens nunca en el grave dao que se provocara hasta que en 1972 este gran descubrimiento pas a ser uno de los desastres ambientales ms grandes de la historia, ya que la liberacin de estas sustancias promueven la destruccin de la capa de ozono que trae consigo desde problemas de salud en humanos y animales, hasta graves desrdenes ecolgicos. Esta preocupacin ha sido tomada muy en cuenta por los gobiernos de todos los pases del mundo, quienes acordaron adoptar las medidas necesarias para solucionar el problema de la liberacin o escape de los gases refrigerantes al medio ambiente, tales como la firma del Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Capa de Ozono, que prohbe toda su forma de comercio a partir del ao 2010 y que propone el uso de otras sustancias. Adicionalmente se han propuesto procedimientos de recuperacin y reciclaje con el fin de controlar el escape de CFCs en la maquinaria que aun sigue empleando dichas sustancias, de donde surge una solucin a travs del diseo de un mdulo para la extraccin y reciclaje del refrigerante R-22.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES En septiembre de 1987 se firma el acuerdo internacional: EL PROTOCOLO DE MONTREAL que pretende la reduccin del 50% de los clorofluorocarbonados para el ao 2000. El protocolo describe los procesos que se deben tener en cuenta para suspender la produccin y el consumo de estas sustancias, as como tambin medidas de control en la fabricacin, exportacin e importacin de productos qumicos que deterioran la capa de ozono. En una posterior revisin del Protocolo de Montreal, que se llevo acabo en Copenhague, los pases participantes del protocolo acordaron esforzarse en respetar los tres puntos siguientes: El empleo de los Hidroclorofluorocarbonos (HCFC) deber limitarse a los usos

para los cuales no exista ningn otro producto o tcnica mejor adaptada al medio ambiente.

No deber desarrollarse aplicacin alguna de de los HCFC salvo si se trata de

proteger la vida o la salud del ser humano. Su empleo debe limitarse a los mbitos de utilizacin existentes de los CFC y HCFC.

Los HCFC debern escogerse para ser utilizados de manera que se reduzca al

mnimo el empobrecimiento de la capa de ozono, aparte de otras consideraciones a las que debern satisfacer en materia de medio ambiente, seguridad y economa.

Francia, es la primera nacin europea que toma la iniciativa para reglamentar el manejo de las sustancias agotadoras de la capa de ozono, por medio de un decreto que prohbe la emisin a la atmsfera de estas sustancias en diciembre de 1992. Colombia ingresa en el Protocolo con el Programa Pas (PP) el 18 de enero de 1994. Este documento hace un anlisis sobre los niveles de consumo de SAOs (Sustancias Agotadoras de Ozono) en los diferentes sectores industriales y

establece las polticas y los planes de accin para la eliminacin del consumo de estas sustancias.

Debido a sto y al grave dao ambiental se han desarrollado diferentes alternativas para reemplazar los CFC. Una de ellas son los HCFC, que contienen hidrgeno, cloro, flor y carbono y aunque son menos nocivos para el ozono, no corresponden a una solucin definitiva por contener cloro. Tambin se encuentran los HFC, que contienen hidrgeno, flor y carbono que no daan la capa de ozono, pero contribuyen al calentamiento global de la Tierra y requieren una tecnologa ms costosa. El Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, en la Unidad Tcnica de Ozono (UTO) ha establecido el Programa para la recuperacin y reciclaje de refrigerantes desde julio de 1995, donde se han dotado talleres de servicio y mantenimiento en refrigeracin con 330 mquinas de recuperacin y 13 equipos de reciclaje. Adicionalmente el Servicio Nacional de Aprendizaje, SENA, ha recibido equipos de recuperacin, para dotar veinte centros de capacitacin en refrigeracin, tambin La Armada Nacional ha participado activamente en estos programas de capacitacin y certificacin de los tcnicos en mantenimiento de equipos refrigerantes. La UTO pretende principalmente dotar con equipos porttiles a los sectores de refrigeracin domstica y comercial, en donde aproximadamente 313 talleres sern beneficiados, igualmente ayudar a prolongar la vida de los equipos con CFC. El mercado actual se cuenta con mquinas extractoras y envasadoras, tambin conocidas como mquinas de recuperacin, as como equipos de reciclaje y plantas de tratamiento y limpieza de gases las cuales trabajan nicamente a niveles industriales y con grandes cantidades de gas, siguiendo el modelo de ciclo de reciclaje.

Figura 1. Ciclo de reciclaje

Fuente. www.amucoinc.com/AmucoS-MaquinasRefrigeracion.htm, 14 Agosto de 2005 Figura 2. Mquinas extractoras

Fuente. www.yellowjacket.com/pr.html, 14 Agosto de 2005

Desincorporacin o reciclaje

Hacia planta de recuperacin

Reutilizacin en sistemas de refrigeracin

Almacenamiento de refrigerantes no

reciclables

Refrigerante reciclado

RegeneracinAnlisis

RecuperacinCFC

HFC

1.2 DESCRIPCIN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El problema del escape de gases refrigerantes, al momento de realizar mantenimientos a los equipos de refrigeracin en la Armada Nacional, deterioran la capa de ozono. Esta hiptesis, presentada desde 1974 por los cientficos Molina y Rawland (Premio Nbel de Qumica 1995), fue posteriormente confirmada por estudios de la NASA, mediante el uso de satlites y detectores de ozono, principalmente en la Antrtida. La destruccin de la capa de ozono acarrea riesgos para la salud humana, entre los cuales encontramos los principales tipos de cncer de piel ocasionados por rayos UVA1, que afectan principalmente a la gente de piel blanca, el aumento de males oculares causados por los rayos UVB, como las cataratas y la deformacin del cristalino, y finalmente la disminucin de la eficiencia del sistema inmunolgico. Tambin se generan daos a nivel ambiental, tales como cambio en la composicin vegetal, que limita su crecimiento, y la disminucin de la cosechas de guisantes, melones, mostaza y coles entre otras. Estos rayos (UVA y UVB) tambin afectan a la vida marina provocando daos en aguas claras, hasta los 20 metros de profundidad, en donde se ven afectadas criaturas como el plancton2, larvas de peces, cangrejos, camarones y similares, la disminucin de estas criaturas despoja a los ocanos de su potencial para recolectar dixido de carbono. La Armada Nacional busca evitar el mal manejo de los equipos de refrigeracin, tales como cuartos fros y sistemas de aire acondicionado, en el momento de realizar los correspondientes mantenimientos, pues debido a todo el dao ambiental generado, se ha prohibido la produccin de dicho gas por lo que los costos de adquisicin aumentaran significativamente. Cmo disear y simular un mdulo para los procesos de extraccin y reciclaje del gas refrigerante R-22? ___________ 1. DOWDESEWLL, Elizabeth, Artculo la destruccin de la capa de ozono. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) 2. Ibid.

http://www.medioambiente.gov.ar/faq/capa_ozono/default.htm#creditos#creditoshttp://www.medioambiente.gov.ar/faq/capa_ozono/default.htm#creditos#creditos

1.3 JUSTIFICACIN La contaminacin ambiental es uno de los grandes problemas que desde hace varios aos aqueja a la humanidad. Dentro de este marco se encuentra contemplado el dao que ha estado sufriendo la capa de ozono debido, entre otros, a los gases refrigerantes como el R-22 pues son varios los procesos industriales y domsticos los que contribuyen con la liberacin de dicho gas. Debido a esto el protocolo de Montreal ha estipulado que los depsitos de sustancias controladas, como el R-22, que se encuentran en los equipos de refrigeracin existentes pueden aprovecharse para reducir la produccin de las mismas. Esto estimula a los usuarios para que elaboraren procedimientos de recuperacin y reciclaje, por lo que se hace necesario contar con los elementos necesarios para llevar a cabo tal fn. En Colombia el Ministerio del Medio Ambiente ha promovido una campaa para que los organismos estatales elaboren un informe en el que se sealen factores, procesos y metodologas que afecten y debiliten la capa de ozono. La Armada Nacional ha iniciado los estudios correspondientes, frente a lo cual est tomando conciencia sobre el problema del escape de refrigerantes buscando vas alternativas de solucin. Dada la gran cantidad de equipos que contienen R-22 y con base en el protocolo de Montreal, la Armada Nacional ha definido trabajar en soluciones alternativas que permitan reutilizar el gas y as evitar la inutilizacin de los sistemas de refrigeracin existentes, tales procedimientos generan altos costos pues requiere de varias mquinas que se deben importar. Adicionalmente se enfrenta a un problema con la produccin del R-22 ya que se encuentra prohibida y se ha permitido su uso slo hasta el 2030, esto genera un alza en los costos del refrigerante, que sumado con los altos precios de la maquinaria genera una alta inversin. Debido a sto, se hace necesario disear un mdulo que sea de fcil adquisicin, que evite el escape o prdidas del gas y que permita reutilizarlo posteriormente. Al realizar el proyecto se pretende que no slo se reduzca la inversin en nuevos depsitos de gas refrigerante sino que se apoye el plan de gestin ambiental que va de la mano con los principios bonaventurianos y que contribuye a la buena imagen de la universidad en la Armada Nacional. Adicionalmente se dejar un

excelente concepto de la Ingeniera Mecatrnica en la Universidad, pues se est desarrollando nueva maquinaria acorde con las necesidades que afronta al pas. 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 1.4.1 Objetivo general Disear un mdulo para la extraccin y reciclaje del gas refrigerante R-22, compacto, ligero, econmico y seguro, que sea de gran ayuda para evitar las fugas de CFC (R-22), reducir su produccin y consumo durante procedimientos de servicio y a prolongar la vida til de equipos de refrigeracin. 1.4.2 Objetivos especficos Analizar el funcionamiento de los equipos de refrigeracin y en especial los pertenecientes a la Armada Nacional, con el fin de seleccionar los ms adecuados para el desarrollo del proyecto. Analizar las caractersticas y propiedades fsicas y qumicas del refrigerante R-22, que darn las bases para la seleccin de los materiales con los cuales se disear el mdulo. Analizar los elementos fundamentales en la extraccin, tales como bombas, vlvulas, compresores, tuberas, sensores, entre otros, para poder seleccionar los que se ajustan ms a las necesidades del proyecto. Reconocer las caractersticas y principales procedimientos a tener en cuenta para la extraccin de gases refrigerantes. Seleccionar los equipos de refrigeracin pertenecientes a la Armada Nacional para los cuales se disear el mdulo. Escoger los materiales mas adecuados para el diseo del mdulo.

Elegir los elementos indispensables en el proceso de extraccin de gases refrigerantes como bomba de vaco, vlvulas, compresor, entre otros. Establecer los procedimientos necesarios para el reciclaje de gases refrigerantes. Reconocer y seleccionar los elementos indispensables en el proceso de reciclaje y tratamiento de gases refrigerantes, tales como filtros, secadores y separadores de aceite. Disear el prototipo del mdulo para extraccin y reciclaje del gas refrigerante R-22. Realizar las respectivas simulaciones del prototipo, para analizar y detectar los posibles errores. 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 Limitaciones: El diseo del mdulo se limitar para el refrigerante R-22 y para los equipos de la Armada Nacional con una capacidad mxima de refrigerante, en libras, de 60 Libras. El mdulo debe ser liviano por lo que se limitara su peso a 50 Kg o menos. Adicionalmente la extraccin se realizar hasta obtener vaco en el equipo de refrigeracin, establecido como 0.6 mBar segn normatividad francesa, para asegurar la extraccin total del refrigerante en el equipo. El diseo debe asegurar una extraccin de refrigerante en estado lquido y gaseoso. En el diseo del mdulo no se incluye el diseo de los tanques de almacenamiento del refrigerante reciclado y el diseo exterior del mdulo ser opcional, pues depender del usuario final, La Armada Nacional. El proceso se debe realizar en 1 hora, adems el diseo del mdulo no incluir el diseo de los tanques de recuperacin.

1.5.2 Alcances: Se pretende llegar al diseo y simulacin de un mdulo de recuperacin y reciclaje de gases refrigerantes, que sea econmico, eficiente, compacto, ligero y de fcil construccin, lo que facilitar la adquisicin del mismo. Con el mdulo se alcanzar una extraccin de 99% del refrigerante que se encuentre en el equipo, de forma automtica, con una respuesta y una precisin aproximada de 1segundo y del 95% respectivamente, debida al rango de error de los instrumentos. Finalmente el mdulo ser un diseo novedoso y brindar la confiabilidad necesaria a nivel de seguridad industrial.

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL A continuacin se desarrollarn algunos conceptos fundamentales que sern de gran ayuda para el diseo del mdulo en el captulo 4. TERMODINMICA: Es la ciencia que trata con el calor y el trabajo y con las propiedades de las sustancias que se relacionan con el calor y el trabajo. La base de la termodinmica es la observacin experimental. En termodinmica, estos descubrimientos se han formalizado en ciertas leyes bsicas, que se conocen como primera, segunda y tercera ley de la termodinmica1. PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA: se le llama la ley de la conservacin de la energa. Establece que durante cualquier ciclo que experimente un sistema (masa de control), la integral cclica del calor es proporcional a la integral cclica del trabajo2. Si la masa de control sufre un cambio de estado, la energa puede cruzar los lmites como calor o trabajo y cada uno puede ser positivo o negativo.

El cambio neto en la energa del sistema ser exactamente igual a la energa neta que cruza los lmites del sistema3

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA: La segunda ley justifica que los procesos van en cierta direccin, pero no en la opuesta. Existen dos enunciados clsicos de la segunda ley, que se conocen como el enunciado de Kelvin-Planck y el enunciado de Clausius. Enunciado de Kevin-Planck

Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningn otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo depsito4.

____________ 1. VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de termodinmica. Segunda edicin. Cp. 2, p 35. 2. Ibid, Cp. 5, p 117. 3. Ibid, Cp. 5, p 120. 4. Ibid, Cp. 6, p 225.

Establece que es imposible construir una mquina trmica que funcione en un ciclo, reciba una determinada cantidad de calor de un cuerpo con alta temperatura y realice una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius

Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo ms fro a otro ms caliente1

Establece que es imposible construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. TEMPERATURA DE SATURACIN: Designa la temperatura a la cual se lleva a cabo la evaporacin de una sustancia a una presin dada. ENTALPA: es la cantidad de energa que un sistema termodinmico puede intercambiar con su entorno, incluye tanto el cambio de energa interna como el trabajo. DIAGRAMAS PRESIN ENTALPA: Los diagramas presin entalpa se usan para representar los estados de una sustancia, entre estas los refrigerantes, existen tres zonas bsicas en la grafica. Cuando una sustancia existe como lquido a la presin y temperaturas de saturacin se conoce como lquido saturado, si por el contrario existe como vapor se conoce como vapor saturado, cuando una parte de la sustancia existe como lquido y otra como vapor se conoce como vapor hmedo, en este estado se encuentra la calidad que se define como el coeficiente de la masa de vapor sobre la masa total. A la izquierda de la lnea de lquido saturado se encuentra la zona de lquido sobreenfriado, si la temperatura de este es menor que la temperatura de saturacin para una presin determinada, o comprimido, si la presin del lquido es mayor que la presin de saturacin para una temperatura determinada. A la derecha de la lnea de vapor saturado se encuentra la zona de vapor sobrecalentado, donde la temperatura de este es superior a la temperatura de saturacin a una presin determinada, estas dos propiedades termodinmicas son independientes en esta zona. ____________ 1. VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de termodinmica. 2da ed. Cp. 6, p 226.

Figura 3. Diagrama presin entalpa

Fuente. Creacin de los autores. En el diagrama de presin entalpa se representarn los estados del refrigerante durante todo el proceso de extraccin y reciclaje en el mdulo. CALOR ESPECFICO (C): Cantidad de calor que se requiere por unidad de masa para elevar la temperatura en un grado1, independiente del proceso particular que lleva a ello, es decir el calor especfico es una propiedad termodinmica. CALOR SENSIBLE Y LATENTE: El calor sensible es aquel que se puede medir o sentir, provoca un cambio de la temperatura en una sustancia pero no un cambio en su estado. El calor latente es aquel que interviene en un cambio de estado sin variar la temperatura de la sustancia, por ejemplo el calor que interviene para pasar de estado lquido a slido o viceversa se llama calor latente de fusin, y de lquido a gaseoso o viceversa se llama calor de evaporacin. ____________ 1. VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de termodinmica. 2da ed. Cp. 5, p 133.

MTODOS DE TRANSMISIN DE CALOR: Existen tres mtodos bsicos de transmisin de calor que se mostrarn a continuacin. Conduccin: Se considera como la transferencia de energa de las partculas ms energticas a las partculas menos energticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas1. Es decir, cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario, que puede ser un slido o un fluido2. La rapidez a la que pasa el calor por conduccin varia en las diferentes sustancias o materiales debido a su conductividad. El cobre al igual que el aluminio son buenos conductores de calor, por lo que son utilizados para la construccin de condensadores, evaporadores y para la tubera de los sistemas de refrigeracin. Para la conduccin de calor, la ecuacin de transferencia de calor se conoce como la ley de Fourier.

lAkT **q =

(1) Figura 4. Transferencia de calor por conduccin en una pared plana

Fuente. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 1, p 4. T: T2 T1. Diferencia de temperatura entre dos puntos. K: Conductividad trmica del material de la pared. ____________ 1. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 1, p 3. 2. Ibid, Cp. 1, p 2.

Para la pared plana unidimensional mostrada en la figura 5: A: H x W. rea de seccin transversal al fluido caliente. l : L. Espesor de la pared. Figura 5. Transferencia de calor por conduccin en un cilindro hueco.

Fuente. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 3, p 91. Para el cilindro hueco mostrado en la figura 6: A: 2rL. rea transversal al fluido caliente.

r: 2

21 rr + . Radio medio.

L: longitud del cilindro l : Ln (r2/r1)

El trmino AK

l*

se conoce como resistencia de conduccin (Rcond), por lo tanto

la transferencia de calor se puede escribir como:

RcondTq = (2)

Conveccin: Se refiere a la transferencia de calor que ocurrir entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estn a diferentes temperaturas1. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes nmeros de molculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Como las molculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposicin de transferencia de energa por el movimiento aleatorio de las molculas y por el movimiento global del fluido. La transferencia de calor por conveccin se clasifica de acuerdo con la naturaleza del flujo del fluido en movimiento. Se habla de conveccin forzada cuando el flujo es causado por medios externos, como un ventilador, una bomba o vientos atmosfricos. En cambio, en la conveccin libre o natural el flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido2. La transferencia de calor por conveccin est representada con la siguiente ecuacin.

ThAsq = ** As: rea de la superficie en contacto con el fluido en movimiento. T: Ts - T. Diferencia de temperaturas. Ts: Temperatura de la superficie T: Temperatura del fluido en movimiento. h: coeficiente de conveccin del fluido en movimiento.

En donde el trmino hAs *

1 se conoce como resistencia de conveccin (Rconv),

por lo tanto la transferencia de calor se puede escribir como: ____________ 1. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 1, p 2. 2. Ibid, Cp. 1, p 6.

RconvTq =

Radiacin: Todas las superficies con temperatura finita emiten energa en forma de ondas electromagnticas1. Por lo tanto, la radiacin trmica es la energa emitida por la materia, transportada por ondas electromagnticas (o alternativamente fotones), que se encuentra a una temperatura finita, ya sea en estado slido, lquido o gaseoso. La radiacin no requiere la presencia de un medio material y ocurre de manera ms eficiente en el vaco. La transferencia de calor por radiacin est representada por la siguiente ecuacin.

)(** 44 TalrTsAq = A: rea de la superficie emisora de energa. : Emisividad de la superficie. : 5.67 x 10-8 W/m2 * K4. Constante de Stefan-Boltzman. Ts: Temperatura de la superficie. Talr: Temperatura de los alrededores INTERCAMBIADORES DE CALOR: Son dispositivos que se utilizan para llevar a cabo el proceso de transferencia de calor entre dos fluidos que estn a diferentes temperaturas y separados por una pared slida. Los intercambiadores de calor se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construccin. Existen tres tipos de arreglos de flujo, flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado, y tres tipos principales de construccin, de tubos concntricos, de tubos y coraza y de tubo con aletas. ____________ 1. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 1, p 2.

En el arreglo de flujo paralelo, figura 6a) los fluidos caliente y fro entran por el mismo extremo, fluyen en la misma direccin y salen por el mismo extremo. En el arreglo de contraflujo, figura 6b), los fluidos caliente y fro entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas y salen por extremos opuestos. Este tipo de arreglos se encuentra en intercambiadores de tubos concntricos, figura 6. FIGURA 6. Intercambiador de calor de tubos concntricos

Fuente. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 11, p 582. En este tipo de intercambiador, la transferencia de calor depende de la longitud de los tubos y son empleados generalmente para intercambiar calor entre lquidos. FIGURA 7. Intercambiador de calor de tubos y coraza

Fuente. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 11, p 583. En el arreglo de flujo cruzado los fluidos caliente y fro se cruzan perpendicularmente como se muestra en la figura 8. Este tipo de arreglo se

presenta en los intercambiadores del tipo tubo con aletas y de coraza y tubos, figuras 8 y 7 respectivamente. En el intercambiador de calor de coraza y tubos la transferencia de calor depender tambin de la longitud y el nmero de tubos, generalmente el fluido que viaja por la coraza es agua o una mezcla de agua con sal llamada salmuera. Su eficiencia radica en los disyuntores que obligan al fluido de la coraza a pasar por todos los tubos. En el intercambiador de tubos con aletas la transferencia de calor depender del nmero de tubos y del nmero de aletas, la eficiencia de este radica en que el rea de transferencia de calor es mayor gracias a las aletas. En este tipo de intercambiadores el fluido que cruza por las aletas generalmente es aire o vapor. FIGURA 8. Intercambiador de calor de tubos con aletas

Fuente. INCROPERA, Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Mxico: Prentice Hall, 1999. Cp. 11, p 583. En estos dos ltimos intercambiadores, al fluido que viaja por los tubos se le denomina fluido de tubo y al que viaja por la coraza o entre las aletas se les denomina fluido vehicular. La transferencia de calor depende de los coeficientes de transferencia de calor de los fluidos y el tubo y no de la naturaleza de los fluidos, es decir, no interesa si el fluido vehicular es caliente y el fluido de tubo es fro o viceversa.

El proceso de transferencia de calor se realiza por conveccin, gracias al contacto de los fluidos con las superficies internas y externas de la tubera, y por conduccin entre las dos superficies de la tubera. Para aumentar la transferencia por conduccin se seleccionan materiales con alta conductividad trmica (K), como el cobre y el aluminio. Para aumentar la transferencia de calor por conveccin se aumenta la velocidad de los fluidos, es decir se hace un proceso de transferencia por conveccin forzada. Existen otros dispositivos de intercambio de calor en los cuales los dos fluidos entran en contacto, un ejemplo de estos son las torres de enfriamiento utilizadas para disminuir la temperatura de un lquido al mantenerlo en contacto con una corriente de aire, se emplean en instalaciones a gran escala. 2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO Debido al grave dao ambiental que la liberacin del refrigerante R-22 ocasiona a la capa de ozono varios pases firmaron el protocolo de Montreal en el cual se estipularon leyes que restringen el uso SAOs, dentro de las cuales se incluye el r-22, y que invitan a la recoleccin, recuperacin, reciclaje y destruccin de dichas sustancias. Adicionalmente la inclusin de Colombia en el protocolo, el 16 de Julio de 1990, hace que el pas se oriente bajo dicha normatividad y cumpla las enmiendas que se emitan en las reuniones del protocolo. Las resoluciones ms destacadas son: LEY 29 DEL 28 DE DICIEMBRE DE 1992, por medio de la cual se aprueba el

Protocolo de Montreal, relativo a las SAOs1. Ley 306 del 5 de agosto de 1996, aprueba la enmienda de Copenhague al

Protocolo de Montreal. Ley 618 del 2000, aprueba la enmienda del Protocolo de Montreal del 17 de

Septiembre de 1997. __________ 1. SAOs: Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono

Decisin IV/24 en la cual las partes acordaron las aclaraciones de los trminos recuperacin, reciclado y regeneracin.

La 22 Reunin del Comit Ejecutivo amplio la asistencia para el sector de

servicio y mantenimiento con CFC donde se propone: Que los futuros proyectos de recuperacin y reciclaje de refrigerantes deberan ser preparados en el contexto del plan o estrategia de gestin de refrigerantes del pas de que se trate

Las resoluciones ms destacadas en Colombia son: Resolucin 528 de 16 de Junio de 1997, prohbe la produccin de refrigeradores

y congeladores de uso domestico, que contengan CFCs y fija requisitos para la importacin de los mismos.

Resolucin 304 del 16 de abril de 2001, se adoptan medidas para la importacin

de sustancias agotadoras de la capa de ozono. Resolucin 0734 de junio 22 de 2004, se modifica la Resolucin 304 de abril 16

de 2001 que adopta medidas para la importacin de sustancias agotadoras de la capa de ozono.

Decreto 423 del 21 de febrero de 2005, se toman medidas para controlar las

exportaciones de sustancias agotadoras de la capa de ozono. El diseo se llevar a cabo de acuerdo a la normatividad francesa que es la ms amplia y exigente en materia de reciclaje y recuperacin de SAOs1 y de la cual se posee informacin, se consideraran principalmente en las siguientes normas: Norma experimental E-35-421: Rendimiento de los equipos de recuperacin,

reciclaje y regeneracin. Norma E-29795. Envasado de los SAOs. __________ 1. SAOs: Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono

2.3 MARCO TERICO En este captulo se describirn las caractersticas principales del R-22, refrigerante para el cual se disear el mdulo, y de los procesos de extraccin y reciclaje de refrigerantes, y de los elementos indispensables para llevar a cabo dichos procesos en el mdulo. El diseo y seleccin de estos tendr lugar en el captulo 4 en donde se enunciarn las respectivas ecuaciones de diseo. Antes de comenzar el estudio de los procesos y partes que conformarn el mdulo se har un breve estudio de los equipos de refrigeracin para despus determinar el punto en ele que el equipo en donde se conectar el mdulo. 2.3.1. Equipos de refrigeracin: El proceso de refrigeracin se basa principalmente en la circulacin de un una sustancia refrigerante en un sistema cerrado, el cual tiene tres etapas, vaporacin, condensacin y disipacin de calor, y es denominado sistema de Compresin. Es utilizado en neveras y aires acondicionados, en este ltimo el que se tiene un ventilador que proporciona un flujo de aire a baja temperatura. En estos sistemas se encuentran dos presiones, la de baja que se ubica en la evaporacin y la de alta que se ubica en la condensacin, ambas estn separadas por el elemento de reduccin (vlvula de expansin) y el compresor. La primera etapa se encarga de vaporizar el refrigerante para absorber el calor del sistema, ste pasa por una compresor que aumenta la presin, lo que genera un incremento de temperatura en el refrigerante, inmediatamente pasa por un condensador para convertirlo en lquido y para finalizar el ciclo, pasa por una vlvula de expansin para alcanzar las condiciones de presin y temperatura que hay en el evaporador. Los sistemas de aire acondicionado se valoran segn la capacidad efectiva de refrigeracin, puede ser en kilovatios o en toneladas de refrigeracin (T.R), esta ltima es la cantidad de calor necesaria para fundir una tonelada de hielo en 24 horas, y es equivalente a 3.5 kilovatios o 12000 btu/h.

Figura 9. Ciclo de refrigeracin

Fuente. BROSNAN, Colleen. Manual de Aire Acondicionado y Refrigeracin Tomo 1, 2da edicin. Mxico: Prentice Hall hispanoamericana S.A. 1994. Cp. R1, p 7. En los equipos de refrigeracin que utilizan compresor de 2Hp o mayor se tienen en cuenta las siguientes consideraciones para mantener las partes en ptimas condiciones: a) Mantener la tubera limpia y seca. b) Evitar dejar los compresores expuestos a la atmsfera por ms de dos minutos. c) Utilizar tubera de cobre para refrigeracin. d) Mantener permanentemente filtros deshidratadores en la lnea de lquido y en lnea de succin. e) Lnea de succin con una pendiente de 0.15 mts por 3 mts de longitud. f) Circular gas inerte (nitrgeno seco) a baja presin en la tubera para evitar escamas y oxidacin dentro de esta. g) Usar soldadura de aleacin de plata adecuada en las lneas de succin y lquido y una soldadura de plata de alta temperatura en la de descarga. h) Aplicar el fundente de la soldadura nicamente en la porcin macho de la unin. i) Instalar vlvulas de eliminacin en la lnea de succin y otra en la del lquido. j) Al finalizar la instalacin de la tubera, esta debe ser probada contra fugas, presurizndola a una presin no mayor de 175 Psi. con refrigerante y nitrgeno seco, adems se tendr que evacuar la tubera a una presin de 1 Psi o menor y sellarla durante 12 horas para detectar cualquier entrada de aire, si existen fugas se repararan y se realizara de nuevo este procedimiento. j) Aislar las lneas de succin para evitar la condensacin y el sobrecalentamiento.

Las fugas y los contaminantes en los equipos de refrigeracin son muy comunes a pesar de todas las recomendaciones establecidas para conservar el equipo. El documento AST E 49 determina el caudal de fuga mximo admisible mediante dos factores principales: El periodo durante el cual el sistema debe funcionar sin recarga de refrigerante es de cinco aos para un sistema totalmente hermtico y de tres aos para los otros. La cantidad de refrigerante que se puede perder por gas es, durante el periodo anteriormente mencionado, la que el equipo pierde sin comprometer su funcionamiento aplana carga. Cuando ocurre una fuga se debe evacuar el refrigerante, revisar y reparar el equipo, hacer una prueba de presin y s est listo se deber cargar nuevamente el refrigerante. Por otra parte cuando el equipo tiene aire atrapado en el compresor, quemadura del motor del compresor o rotura de las lneas se considera que el equipo est contaminando. Cuando ocurre esto es conveniente evacuar el refrigerante y realizar los siguientes pasos: a) Desconectar el compresor y ubicar tapones y vlvulas de alivio en los lugares correspondientes. b) Introducir nitrgeno seco y ajustar el regulador a 100 Psi. c) Realizar la purga con nitrgeno las veces que sea necesario. Usualmente para la evacuar el refrigerante del equipo se sigue el proceso mostrado a continuacin: Se conecta una bomba de alto vaco en la vlvula de evacuacin del lado de baja y de alta, con tubera de cobre o conexiones de alto vaco con un dimetro interno de mnimo, el manmetro de vaco debe ser capaz de leer presiones en

micrones. Este se conecta despus de la bomba de vaco pero entre ellos se ubica una vlvula de cierre para controlar la presin despus de realizar el vaco en el sistema. Con un manmetro mltiple se conecta el comn a la entrada de succin de la bomba de vaco y las conexiones de alta y baja a su respectiva vlvula de servicio, se ajustan las vlvulas y el manmetro a una posicin intermedia, y se arranca la bomba de vaco, en ocasiones es necesario regular la vlvula de vaco para evitar recalentamientos del motor de la bomba. 2.3.2 R-22: Es un refrigerante hidroclorofluorocarbonado (HCFC) utilizado ampliamente en la industria de refrigeracin debido a las propiedades termodinmicas para temperaturas medias y altas y a su estabilidad. Se puede utilizar con la mayora de materiales disponibles en refrigeracin pero debe evitarse el contacto con magnesio, zinc y aleaciones de aluminio con contenidos de magnesio superiores al 2%. El comportamiento de la mayora polmeros y elastmeros depende principalmente de la temperatura de trabajo recomendada por los fabricantes, as como el contacto con Nylon y el PVC, es miscible con los aceites minerales, alquibencnicos y poliolsteres. Figura 10. Curva de equilibrio del R-22, Presin saturacin vs. Temperatura de saturacin

Fuente. www.gas-servei.com, Agosto 14 de 2005.

Tabla 1. Propiedades fsicas y qumicas del R-22

Formula Qumica CHClF2 Nombre Qumico monoclorodifluorometanoNmero ASHRAE R22 Peso Molecular 86,47 Temperatura de Ebullicin -40,8 C Temperatura de Congelacin -160 C Temperatura Crtica -96,15C Presin Crtica 49,88 bar Densidad del Lquido (25C) 1,19 Kg/l Densidad del Gas (25C) 3 Kg/l Presin del vapor (25C) 10,44 bar Conductividad Trmica del Lquido (25C) 0,0868 W/mK Conductividad Trmica del Vapor (25C) 0,0113 W/mK Resistencia Dielctrica Relativa 1.3 Solubilidad en agua (25C, 1.013 Bar) 0,30% Lmite de Inflamabilidad en el Aire ninguno Apariencia y Color Gas Incoloro Olor ter

Fuente. www.gas-servei.com, Agosto 14 de 2005 El R-22 en altas concentraciones puede causar la asfixia produciendo la prdida de la conciencia o de la movilidad, en bajas concentraciones puede ser narcotizante, donde se experimentan sntomas de mareo, vrtigo y/o dolor de cabeza, para cualquier de estos casos se debe llevar a la persona afectada a un lugar aireado y colocarle un equipo de respiracin autnoma. En caso de contacto con la piel o los ojos se procede a lavar la zona afectada durante 15 min con agua. Como el refrigerante se encuentra en un envase bajo presin pueden causarse explosiones si no se maneja adecuadamente, adems, por descomposicin trmica puede producirse fluoruro de carbonilo, monxido de carbono, fosgeno, cloruro de hidrogeno y fluoruro de hidrogeno, originando fuego que puede extinguirse con cualquier tipo de extintor conocido.

2.3.3 Extraccin de refrigerantes: Los procedimientos de extraccin que se describirn a continuacin fueron ensayados bajo la norma francesa NFE 35-421, que define los umbrales de presin final en funcin de volumen de las instalaciones y da una aproximacin normalizada de: Los caudales msicos del refrigerante en estado lquido o gaseoso. Las cantidades de refrigerante retenidas por el equipo. La posible contaminacin provocada por el equipo. El rendimiento del equipo, es decir, la relacin entre la masa recuperada y la

masa inicial en el sistema de refrigeracin. La extraccin se clasifica dependiendo del estado del refrigerante al momento de realizar dicho proceso, se puede encontrar en estado lquido o gaseoso. 2.3.3.1 Extraccin de refrigerantes en estado lquido: El proceso de extraccin de refrigerantes en estado lquido se puede realizar de tres formas: por diferencia de presin esttica, por bomba centrfuga o neumtica o por compresor. El mtodo de diferencia de presin esttica se puede realizar de tres formas: Diferencia permanente: se debe a una presin complementaria de un gas neutro, como el Nitrgeno, que se introduce al equipo de refrigeracin en la parte en donde el refrigerante se encuentra en estado gaseoso, este proceso se hace siempre y cuando el refrigerante tambin se encuentre en estado lquido. La sobrepresin permite vaciar la fase lquida empujndola hacia el cilindro de recuperacin, el problema radica en que las prdidas se estiman entre el 15% y el 20% de la masa total del refrigerante. Diferencia momentnea: para este mtodo se utiliza el vaco relativo de los cilindros de recuperacin, los cilindro deben suministrarse inicialmente con un vaco de 0.3 mbar absolutos. Al abrir la vlvula que permite el paso de refrigerante del equipo al mdulo, este se ira hacia el cilindro hasta que se iguala la presin con la del equipo. Extraccin por gravedad: es posible realizar una extraccin debido a la diferencia de niveles entre el equipo de refrigeracin y el cilindro de recuperacin, la

eficiencia de este mtodo depende de la diferencia de niveles y de la longitud y dimetro de las conexiones. La extraccin por bomba centrfuga o neumtica es el mtodo ms utilizado para extraer grandes cantidades de refrigerante lquido, el problema es que el caudal transvasado puede ser variable. Se recomienda ubicar la bomba a un nivel inferior a la del sistema de refrigeracin para contrarrestar los efectos de las prdidas de carga en la aspiracin y la cavitacin. Figura 11. Extraccin de refrigerante lquido por bomba centrfuga

CLODIC, D. Vademcum de la recuperacin de los CFC. Espaa: A. Madrid Vicente. 1993. Cp. 4, P 92 La extraccin por compresor es la forma ms lenta para la fase lquida pero es la ms confiable, el problema radica en que no debe ingresar refrigerante en estado lquido al compresor porque puede daarlo. Para solucionar esto se emplea un evaporador y un condensador ubicados antes y despus del compresor respectivamente. El refrigerante lquido pasa por el evaporador donde cambia a vapor, es comprimido por el compresor, pasa por el condensador en donde cambia a lquido y finalmente es introducido en le cilindro de recuperacin. En el montaje real el evaporador se ubica adelante del condensador para aprovechar el aire caliente que sale de este ltimo.

Figura 12. Extraccin de refrigerante lquido por compresor

CLODIC, D. Vademcum de la recuperacin de los CFC. Espaa: A. Madrid Vicente. 1993. Cp. 4, P 92 El mtodo empleado para hacer la extraccin del refrigerante lquido en el mdulo es el mtodo por compresor pues asegura la mxima extraccin de refrigerante es seguro y estable. El primer mtodo es ineficiente, permite fugas del refrigerante y no asegura la evacuacin total del refrigerante, el segundo no es estable y tiene problemas de carga y cavitacin. La extraccin se debe hacer por el lado de alta presin en el equipo, pues en este punto se encuentra el refrigerante lquido. En los equipos de refrigeracin tambin se encuentra refrigerante en estado gaseoso, este debe ser evacuado por el mdulo para asegurar una extraccin total del refrigerante. Por lo tanto al proceso de extraccin de refrigerantes en estado lquido en el mdulo se le debe adicionar el mtodo de extraccin en estado gaseoso. 2.3.3.2 Extraccin de refrigerantes en estado gaseoso: La extraccin de refrigerantes en estado gaseoso se realiza despus de la de lquido, es necesario estar seguro que no hay ms refrigerante lquido en el equipo de refrigeracin. Esta extraccin suele ser demasiado lenta con respecto a la de lquido, sin embargo se asegura la extraccin del refrigerante en un 98%.

Existen cinco tipos de extraccin de refrigerante en estado gaseoso: trmico, adsorcin, por compresin, por bomba neumtica y por bomba de vaco. La extraccin trmica consiste en enfriar los cilindros de recuperacin, pero para asegurar una extraccin eficaz se debe mantener una diferencia de temperatura de alrededor de 40C, que corresponde a la temperatura de saturacin del refrigerante entre 4 y 5 bar. El mtodo por compresor es muy sencillo, la aspiracin del compresor se conecta al equipo de refrigeracin, por seguridad no debe haber lquido en el equipo ya que este puede ocasionar el rompimiento del mismo. El problema es que el compresor solo trabaja hasta presiones cercanas a la presin atmosfrica lo que impide hacer un vaco total al equipo. Figura 13. Extraccin de vapor de refrigerante por compresor

CLODIC, D. Vademcum de la recuperacin de los CFC. Espaa: A. Madrid Vicente. 1993. Cp. 4, P 92

El mtodo por bomba neumtica permite extraer refrigerante en estado gaseoso con caudales entre 8 y 18 m3/h, el problema es alto nivel sonoro y que la presin de extraccin no puede ser menor a 25 bar. El mtodo por bomba de vaco no es convencional ya que las descargas se realizan al aire libre, sin embargo, este mtodo permite obtener presiones muy bajas en el equipo de refrigerante. Para una mayor eficiencia el mtodo de bomba de vaco se le agrega un compresor en serie, para que funcione de la siguiente manera: La bomba de vaco descarga el refrigerante en un depsito o recipiente intermedio cuya presin se mantiene en 1 bar. aproximadamente. Con el compresor se aspiran los gases de refrigerante descargados por la bomba de vaco. Figura 14. Extraccin de vapor de refrigerante por bomba de vaco y compresor

CLODIC, D. Vademcum de la recuperacin de los CFC. Espaa: A. Madrid Vicente. 1993. Cp. 4, P 102 Por normatividad europea (EN 378) la presin final en el equipo de refrigeracin debe ser:

0.6 mbar absolutos para equipos cuyo volumen es menor a 200 lt de refrigerante. 0.3 mbar absolutos para equipos cuyo volumen es mayor a 200 lt de refrigerante. Cuando realiza el proceso de extraccin de refrigerante en estado lquido, el refrigerante restante que se encuentra en estado gaseoso representa un 10%, aproximadamente, de la carga total del refrigerante. Para la extraccin de refrigerante en estado gaseoso en el mdulo, se emplear el mtodo por compresor y por bomba de vaco de la siguiente forma: El compresor se encargar de hacer la extraccin del refrigerante gaseoso siguiendo el mismo proceso de extraccin de refrigerante lquido. La configuracin evaporador, compresor y condensador ser la misma en ambos procesos para asegurar que al compresor siempre ingrese vapor seco. Una vez se logre en el equipo una presin cercana a la presin atmosfrica se activar la bomba de vaco que extraer el refrigerante restante hasta obtener la presin final adecuada en el mismo. La bomba se conectar en paralelo con el compresor para aprovechar el condensador y envasar la mayor cantidad de refrigerante en estado lquido. Finalmente el proceso de extraccin total del refrigerante se realizar con evaporador, un compresor, una bomba de vaco conectada en paralelo con el compresor y un condensador, se realizara por el lado de alta presin en el equipo de refrigeracin, pues en este punto se obtiene el refrigerante en este estado lquido y vapor. Si por alguna circunstancia no se puede acceder al equipo por el lado de alta presin o no se puede seguir la extraccin en este punto, la conexin se podr hacer por el lado de baja presin pero a la entrada del evaporador donde se encuentra el refrigerante lquido. En el capitulo 4 se encontrar un esquema general del mdulo con la ubicacin del evaporador, compresor, bomba de vaco y el condensador, la seleccin de la presin final adecuada para los equipos de la Armada Nacional seleccionados y un diagrama presin entalpa en el cual se muestran los estados de refrigerante durante el proceso de extraccin.

2.3.5 Evaporador y condensador: El evaporador y el condensador son intercambiadores de calor que se encargan de extraer calor del medio para evaporar el refrigerante, evaporador, o de extraer calor del refrigerante para condensarlo, condensador. De los intercambiadores de calor mencionados en el captulo 2.1 se debe seleccionar el ms adecuado para el trabajo con el refrigerante. Como el refrigerante no debe mezclarse con ningn fluido ni debe liberarse al ambiente, no debe usarse la torre de enfriamiento o algn intercambiador similar. El mdulo debe ser lo ms eficiente posible por lo tanto los intercambiadores de calor tambin deben serlo por lo que se seleccionan los de tubos con aletas y el de tubos y coraza, de conveccin forzada. En estos el fluido de tubo debe es el refrigerante. En el primer tipo de intercambiador el fluido vehicular es aire y para lograr una conveccin forzada se requiere de un ventilador que impulse el aire, en el segundo, el fluido vehicular es agua o salmuera y para lograr una conveccin forzada se requiere una bomba que impulse el lquido. El consumo de agua y de energa por parte de la bomba representa una inversin mayor a la correspondiente al consumo de aire y de energa por parte del ventilador. Por lo tanto el intercambiador de calor que ms se ajusta a los requerimientos de trabajo del proceso de extraccin de refrigerante en el mdulo es el de tubos con aletas, por eficiencia, economa y por asegurar que el refrigerante no se escapara al ambiente. El diseo y las ecuaciones termodinmicas propias del proceso de evaporacin y condensacin se encuentran consignados en el captulo 4, as como las ecuaciones necesarias para determinar el nmero de tubos y de aletas, la geometra y el ventilador en los intercambiadores1. ____________ 1. Entindase por intercambiadores al evaporador y al compresor

2.3.5 Compresor: Las bombas empleadas para comprimir gases y vapores suelen llamarse compresores. El compresor se encarga de aumentar la presin de un gas, o vapor, disminuyendo su volumen por procedimientos mecnicos, el gas, o vapor, comprimido tiende a elevar su temperatura, por esa razn se debe cuidar que la temperatura despus de pasar por el ciclo de compresin no exceda los limites de seguridad. Existen principalmente dos tipos de compresores, los alternativos y los rotativos. Figura 15. Compresor alternativo

Fuente. ENCARTA 2005 Biblioteca de consulta Microsoft, compresor de aire, 1993-2004 Microsoft Corporation

Los compresores alternativos se utilizan para generar altas presiones mediante un cilindro y un pistn, cuando el pistn se mueve hacia la derecha el gas entra al cilindro por la vlvula de admisin, cuando este se mueve hacia la izquierda comprime el gas, generalmente el gas comprimido es almacenado en un deposito como se muestra en la figura 15. Figura 16. Compresor rotativo

Fuente. ENCARTA 2005 Biblioteca de consulta Microsoft, compresor de aire, 1993-2004 Microsoft Corporation

Los compresores rotativos se utilizan para generar presiones medias y bajas, estn conformados por una rueda con paletas que giran dentro de un cilindro cerrado, el gas se introduce por el centro de la rueda y es acelerado por la fuerza centrifuga que produce el giro de las paletas produciendo un aumento de presin, generalmente el gas es almacenado en un deposito, como se muestra en la figura 16. En el mdulo, el compresor es el encargado de hacer la extraccin del refrigerante hasta obtener una presin cercana a la presin atmosfrica en el equipo, adems debe aumentar la presin del fluido de trabajo hasta la presin de condensacin. En refrigeracin el compresor mas usado es el alternativo por la capacidad de generar altas presiones por lo tanto se usar en este mdulo. 2.3.6 Bomba de vaco: Las bombas de vaco son dispositivos que se encargan de transferir lquidos y gases hasta generar vaco en la instalacin de la cual se esta extrayendo. Se basan en el principio de reduccin de la cantidad de gas en un recipiente cerrado para que las molculas y tomos puedan moverse libremente, este movimiento es proporcional a la reduccin de la presin de gas. Un sistema bsico de vaco est formado por tres partes, la cmara de trabajo, las bombas y los equipos de control.

La cmara de trabajo, con su manmetro de vaco, est unida de forma hermtica al extremo de la bomba. Cuando se cierran las vlvulas de alto vaco y de primer vaco y se abre la vlvula de presin preliminar, arrancan las bombas mecnica y de difusin. Cuando comienza a funcionar la bomba de difusin, se asla del resto del sistema cerrando la vlvula de presin preliminar. A continuacin se vaca la cmara de trabajo, slo mediante la bomba mecnica. Para ello se cierra la vlvula de entrada de aire y se abre la vlvula de primer vaco. La presin en la cmara de trabajo se reduce hasta aproximadamente 0,1 milibares (1 bar corresponde a 100.000 pascales y equivale a unos 750 mm de mercurio, algo menos que la presin atmosfrica normal). A continuacin, la cmara se comunica con la bomba de difusin cerrando la vlvula de primer vaco y abriendo posteriormente las vlvulas de presin preliminar y alto vaco. En ese momento, la cmara de trabajo est lista para ser sometida al alto vaco1

____________ 1 ENCARTA 2005 Biblioteca de consulta Microsoft, tecnologa de vaco, 1993-2004 Microsoft Corporation, tema 4.

Figura 17. Bomba de vaco

Fuente. ENCARTA 2005 Biblioteca de consulta Microsoft, tecnologa de vaco, 1993-2004 Microsoft Corporation, tema 4. El diseo, las ecuaciones correspondientes y la seleccin del compresor y la bomba de vaco, se encuentran consignados en el captulo 4. 2.3.7 Reciclaje de refrigerantes: Una vez conocido el proceso de extraccin del refrigerante y se determinar el proceso de reciclaje y los elementos necesarios para realizarlo. Para esto es indispensable conocer primero los tipos de contaminaciones que este puede sufrir y los mtodos para reducir dicha contaminacin. No se estudiaran los mtodos de comprobacin de calidad del refrigerante ya que se diseara un mdulo de extraccin y reciclaje y no de regeneracin. 2.3.7.1 Contaminaciones en los refrigerantes: Se consideran contaminados los refrigerantes cuando contienen: aceite, agua, cidos y/o partculas slidas, estos son la principal causa de avera de los equipos de refrigeracin. Sin embargo cuando un refrigerante se mezcla con aire este no se puede reciclar. Aceite: El aceite aparece a causa de la lubricacin del compresor, cuando este es nuevo produce una contaminacin no agresiva pues su funcin es lubricar y por

esto viaja con el refrigerante, se convierte en agresivo cuando sirve de medio para almacenar agua, cidos y partculas slidas, por lo tanto el contenido de aceite en los refrigerantes reutilizados debe ser estrictamente controlado. Los mtodos utilizados para la separacin del aceite y del refrigerante son tres: destilacin, evaporacin y decantacin. El primer mtodo se hace por medio de una columna de destilacin, un hervidor suministra calor a la base de la columna y un rectificador enfra el extremo superior, el problema radica en su elevado costo, es construido para grandes cantidades de refrigerante y es innecesario ya que las tenciones de vapor entre el aceite y el refrigerante estn muy alejadas entre si. La decantacin consiste en separar el aceite y el refrigerante por enfriamiento o variacin de presin, el componente menos denso permanece en la superficie, pero la separacin no es un proceso fcil. La evaporacin en cambio es el mtodo mas utilizado por su bajo costo y su rapidez, la ebullicin de los refrigerantes se logra con una temperatura por debajo de la ambiente (entre 25C y -50C) y la de los aceites se logra con una cercana a 200C. Se calienta la mezcla aceite-refrigerante a la temperatura de ebullicin del refrigerante y se mantiene constante, as el refrigerante en estado gaseoso se desprende del aceite. La gran ventaja de este mtodo radica en que los contaminantes como el agua y los cidos son atrapados por el aceite y sus temperaturas de ebullicin nos mas altas que la del refrigerante. Agua El agua aparece cuando ingresa aire al equipo y se deposita sobre las paredes de los componentes. Esta debe mantenerse en niveles muy bajos en el refrigerante ya que es una sustancia que favorece reacciones catalticas, conduce a la formacin de xidos y cidos y puede taponar las vlvulas. El proceso de separacin del agua y el refrigerante se realiza con filtros deshumidificadores. cidos Los cidos que se encuentran se deben a quemaduras graves en el equipo de refrigeracin, generalmente en el compresor, a la descomposicin de las partculas que quedan atrapadas en el equipo, generalmente soldadura. Y a la reaccin de descomposicin de los refrigerantes halogenados. Frecuentemente son clorhdricos y fluorhdricos que son muy agresivos con los metales, causan corrosin en las tuberas, las vlvulas del compresor y el circuito de lubricacin del mismo. El proceso de separacin de los cidos y el refrigerante se realiza por con filtros desacidificadores.

Partculas slidas La mayora de partculas slidas se deben a restos de soldadura, viruta y polvo metlico que se desprenden y circulan con el refrigerante, estas deben ser evitadas ya que pueden originar taponamiento parcial o total en cualquier parte del mdulo. El proceso de separacin de las partculas slidas se realiza con filtros. En el mdulo, el proceso de separacin de aceite se realizar por el mtodo de evaporacin por su facilidad. Para esto, se aprovecha la evaporacin que sufre el refrigerante en el evaporador, as a la salida de este se podr poner el filtro correspondiente y atrapar fcilmente el aceite. 2.3.7.2 Mtodos de filtracin: Durante el proceso de separacin se deben atrapar los contaminantes y permitir el paso de refrigerante limpio, para lo cual se emplean los filtros. Como el proceso de separacin de cidos, el agua y partculas slidas se hace con filtros, no es necesario emplear un filtro adicional para retener estos contaminantes, uno solo se puede hacer los dos procesos. Existen diferentes tipos de filtros segn el tipo de contaminante. El filtro de partculas slidas atrapa las partculas que viajan con el refrigerante por medio de lminas con pequeos poros. Existen varios tamaos de poros, que son medidos en micrones, las lminas del filtro se acomodan en orden descendente, del tamao ms grande de poros al ms pequeo, pues si se hace al contrario en la primer laminilla se presenta una saturacin de partculas taponndola. Los filtros para cidos y agua atrapan estos contaminantes gracias a un ncleo de compuestos qumicos slidos especiales y que no reaccionan al contacto con el refrigerante. Este ncleo adems evita que los contaminantes retornen nuevamente al refrigerante. El filtro para aceite se encarga de almacenar el aceite separado del refrigerante y limpiarlo, la entrada y salida del refrigerante se hace por la parte superior del filtro para que el aceite caiga al fondo.

Figura 18. Filtro

Fuente. www.copeland corp.com/ameritas/fc-filtro_nucleos.pdf. p 4. Mayo 9 de 2006 La seleccin de los filtros se encuentra en el captulo 4. 2.3.8 Carga del cilindro de recuperacin: Durante los procesos de extraccin y reciclaje del refrigerante se realiza el proceso de carga del cilindro. Para este proceso se deben tener en cuenta la siguientes consideraciones: Antes de cargar el cilindro se debe hacer un vaco hasta lograr la presin de vaco ms adecuada esto se hace para evitar que el refrigerante se mezcle con aire y para asegurar que el cilindro se llene de refrigerante. Los cilindros de almacenamiento deben ser especiales para refrigeracin. Deben soportar presiones de vaco por debajo de los 0.6mBar1 y presiones por encima de las presiones de trabajo del mdulo. El diseo del mdulo no incluye el diseo de los cilindros, sin embargo en el captulo 4 se encontrarn los cilindros sugeridos para el mdulo. Durante la carga se debe controlar la cantidad de refrigerante que ingresa al cilindro, solo se debe llenar el cilindro hasta el 80% de su capacidad, si el cilindro se llena al 100% se corre el riesgo que este explote. Esto se debe a que el refrigerante que esta ingresando al cilindro se encuentra en estado lquido, los lquidos son incompresibles por lo tanto si el cilindro se llena a su mxima capacidad, un leve incremente en la presin o temperatura provocar su explosin. ____________ 1. Como se menciona anteriormente el equipo de refrigeracin de llevarse hasta una presin de 0.6mBar o 0.3mBar segn sea el caso, este criterio puede emplearse tambin para los cilindros de recuperacin.

Para controlar el nivel del cilindro se puede emplear: Bscula: esta se ajusta apara cada recipiente empleado, teniendo en cuenta su tara. Cuando se alcanza el peso mximo, correspondiente al 80% de la capacidad del cilindro, se detiene el proceso de llenado. Vlvula doble: Esta vlvula est equipada con dos tubos sumergidos, uno de los tubos llega hasta el fondo del cilindro y permite llenarlo a vaciarlo con refrigerante lquido. El otro tubo llega hasta el nivel del cilindro correspondiente al 80%, cuando el refrigerante llega a este punto, el tubo lo succiona y lo devuelve al equipo. Para esto se debe tener un capilar, una sonde de temperatura situada en el punto de retorno y un termostato que dispara la parada del compresor. En el mdulo se emplear la bscula por que el uso de la vlvula implica la adquisicin de nuevos elementos, adems como la vlvula debe ir dentro del cilindro se necesitara tener una vlvula por cilindro que se vaya a emplear. La seleccin de la bscula, los cilindros sugeridos y de la presin de vaco adecuada para estos se realizar en el captulo 4. 2.3.9 Tubera para refrigeracin: Existen dos clases de tubera para refrigeracin, el tubo y el tubing. Se habla de tubo cuando se utiliza materiales como el acero nominal de pared gruesa y que utiliza rosca en el propio material, se habla de tubing para los tubos de pared delgada que se unen por medio de sistemas que no sean de rosca en el propio material. La forma de medicin del dimetro comercial es diferente para cada clase, el dimetro comercial del tubo se basa en su dimetro interno (DI) y el del tubing en el di