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