Fluidos refrigerantes

Todo fluido que tiene la capacidad de absorber  y ceder calor de otro cuerpo, se llama refrigerante.
Un refrigerante es un fluido que absorbe calor por evaporación a baja temperatura y presión y cede calor por condensación a alta temperatura y alta presión.
Para encontrar un refrigerante adecuado se requirió de un elemento que fuera fácilmente transformable de estado líquido a gaseoso y viceversa y así poder obtener una estabilidad uniforme de transferencia de calor.
Los refrigerantes mas ideales para esta tarea se lograron obtener después de innumerables pruebas de laboratorio.
Los refrigerantes, por su interacción con su objetivo primario, se pueden agrupar en:
Refrigerantes primarios: aquellos que absorben calor al evaporarse a ciertos niveles de 
temperatura y presión para transferirlo a temperatura y presión más elevadas.
Refrigerantes secundarios: cualquier fluido enfriado mediante un refrigerante primario y que circula como fluido de transferencia de calor para retirar la carga  térmica del sistema.

Condiciones para que un refrigerante sea ideal:

• No debe ser perjudicial para la salud.
• No debe ser explosivo o inflamable. 
• No debe ser toxico.
• Fácil de detectar pérdidas o fugas
• No debe alterar o atacar las condiciones generales del aceite lubricante del compresor, ni las líneas del equipo.
• Su punto de ebullición debe ser muy bajo, para para evitar vacíos en las lineas del equipo.
• Temperatura critica alta, para que sea posible su condensación a las temperaturas del medio ambiente en las que se encuentra el equipo.
• Punto de condensación bajo, para no aplicarle presiones demasiado elevadas para condensarlo.
• Calor latente de evaporación alto , para que sea mínima la cantidad de refrigerante que se use en el sistema.
• Su volumen especifico debe reducirse al mínimo, para no tener que utilizar compresores muy grandes.
• Elevada pureza
• Ser higroscópicos.

Los refrigerantes se conocen por su fórmula, nombre químico o por su denominación simbólica numérica adoptada internacionalmente.
El American Standard ANSI/ASHRAE 34, como denominación simbólica numérica, asignó un código que identifica a cada refrigerante el cual consiste de una letra seguido por un número. Este código se establece a partir de su fórmula química así:
• La letra R mayúscula significa refrigerante.
• La primera cifra de la derecha en los compuestos que carezcan de Bromo indicará el        número de átomos de Flúor de su molécula.
• El segundo dígito indica el número de átomos de Hidrógeno de su molécula menos uno.
• El tercer dígito indica el número de átomos de Carbono en su molécula mas uno.     Cuando este último dígito es cero no se escribe en su denominación.
• El número de átomos de Cloro se calcula con la siguiente fórmula: Cl = C – F- H
   Donde: Cl = No. átomos de Cloro

 C = Numero total de átomos que pueden estar unidos a los átomos de carbono; si la              molécula tiene 1 átomo de Carbono entonces C=4; si la molécula tiene 2 átomos de      Carbono entonces C=6
 F = Numero de átomos de Fluor 
 H =Número de átomos de Hidrógeno

La letra de algunos refrigerantes se obtiene porque existen refrigerantes que han tomado como base otro refrigerante y por voluntad del fabricante se ha modificado su estructura interna de modo diferente para alterar ciertas propiedades. A estos nuevos refrigerantes, por  tener la misma composición química de sus predecesores, se les aplica el ejercicio anterior y se denominan de igual forma sin embargo, para evitar una denominación repetida se agregan letras en minúscula al final de su denominación original, ejemplo: R134 y R134a

(R) refrigerante (1 ) Nº de átomos de C+1 (3) Nº de átomos de H-1 (4) Nº de átomos de F
(a) Letra dada por el fabricante. 

Del ejemplo anterior, se obtienen 4 átomos de Flúor, 2 átomos de Hidrógeno y 2 átomos de Carbono.
Y, según la fórmula, el número de átomos de Cloro presentes en una molécula de refrigerante R134a será:
Cl = C – F- H
Cl = 6 – 4- 2 
Cl= 0

               

                

Del ejercicio anterior se concluye que el R134a no tiene átomos de cloro en su estructura molecular y por lo tanto no afecta la capa de ozono.

Mezclas zeotrópicas y azeotrópicas:

Las mezclas están denominadas por su número de refrigerante y proporciones de masa respectivas. Su denominación obedece al aumento de los puntos de evaporación normal de los componentes. 
Las mezclas zeotrópicas: tienen asignados números de la serie 400, éste número establece cuáles componentes están en la mezcla pero no la cantidad de cada uno de ellos. Para diferenciar zeótropos que tienen los mismos componentes pero con diferentes cantidades en masa, se agrega al final de la denominación una letra en mayúscula. Esta letra obedece a un orden cronológico,
según su aprobación ASHRAE.

Ejemplo: R407A (R32/R125/R134a (20/40/40))
                R407B (R32/R125/R134a (10/70/20))
                R407C (R32/R125/R134a (23/25/52))
                R407D (R32/R125/R134a (15/15/70))
                R407E (R32/R125/R134a (25/15/60))

Las mezclas azeotrópicas: tienen asignados números de la serie 500.
Ejemplo: R507 (R125/R143a (50/50)

Compuestos orgánicos e inorgánicos:
Los compuestos orgánicos misceláneos tienen asignados la serie 600, ejemplo R600a  para el isobutano; mientras que los compuestos inorgánicos tienen asignados la serie 700 y su número de identificación se completa agregando la masa molecular,

Ejemplo: R717 asignado para el amoníaco porque 17 es su masa molecular.


Clasificación de los refrigerantes (ASHRAE 34)


El American Standard ANSI / ASHRAE 34 también clasifica los refrigerantes por su grupo de seguridad, esta clasificación consta de UNA LETRA que indica su toxicidad y UN NÚMERO que indica su flamabilidad.
Según su toxicidad,  los refrigerantes están divididos,en dos grupos:
• Clase A, toxicidad  no identificada para concentraciones inferiores o iguales a 400 ppm.
• Clase B, se tiene evidencia de toxicidad a concentraciones inferiores a 400 ppm.

Según su flamabilidad, los refrigerantes están divididos en tres grupos:
• Clase 1, no muestra propagación de llama cuando se prueba en aire a 21°Cy 101 kPa.
• Clase 2, límite inferior de flamabilidad superior a 0.10 kg/m3 a 21°C y 101 kPa y un                             calor de combustion inferior a 19 kJ/kg.
• Clase 3, altamente flamable definido  por un límite inferior de flamabilidad  inferior o                             igual a 0.10 kg/m3 a 21°C y 101nkPa o un calor de combustión superior o                         igual a 19 kJ/kg.

Refrigerantes Inorgánicos:

Son compuestos químicos o combinaciones de los elementos de la tabla periódica que no contienen  carbono, excepto el CO2; los refrigerantes inorgánicos más comunes son el agua, amoniaco y dióxido de carbono.

El  Agua:
R718, es un líquido incoloro, inodoro e insípido que está compuesto por dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Sus propiedades físicas se utilizan como patrones para definir, por ejemplo, escalas de temperatura.
Como refrigerante primario, el agua es utilizada en los procesosde refrigeración por absorción  acompañado del bromuro de litio o amoníaco en máquinas de aire acondicionado y como absorbedor acompañado del amoníaco en máquinas de refrigeración; se utiliza también como refrigerante en máquinas de refrigeración por eyección.
El agua es una opción refrigerante atractiva porque no es tóxica ni 
inflamable. Sin embargo, es un refrigerante que funciona a muy baja presión
Debido a  las bajas presiones y las tasas muy elevadas de flujo volumétrico que requieren los sistemas de compresión de vapor de agua, es necesario recurrir a diseños de compresores que son poco habituales en el sector del aire acondicionado. 
Como refrigerante secundario, el agua se utiliza en sistemas tipo “chillers” empleados para acondicionar aire, congelar  y mantener pistas de patinaje sobre hielo y facilitar procesos industriales donde se requiera control de temperatura. 

Amoniaco
El R717,  es un gas incoloro, corrosivo, irritante, tóxico y de olor sofocante. Su fórmula química es NH3. Se emplea en la industria textil, como refrigerante, en la producción de fertilizantes y en productos de limpieza, entre otros. Aunque no afecta metales ferrosos como el aluminio y el bronce fosfórico, en la presencia de humedad destruye los metales no ferrosos como el zinc,  cobre y sus aleaciones.
Por sus cualidades termodinámicas, el amoniaco es uno de los mejores refrigerantes: según la  productividad de enfriamiento, supera considerablemente a los R12, R11, R22 y R502, y tiene más alto coeficiente de transferencia de calor, lo que permite usar tuberías de menor diámetro en los aparatos de transferencia de calor de similar capacidad. En conjunto con hidrógeno y agua,  se utiliza en refrigeradores domésticos y comerciales, eliminando el uso de compresor gracias al principio de absorción. Respecto al R22, el amoniaco tiene un valor alto de “calor de vaporización” y como consecuencia presenta un comparativamente pequeño consumo de masa del refrigerante circulante. Esta es una cualidad ventajosa para grandes capacidades de refrigeración pero hace difícil la regulación de la entrega del amoniaco al evaporador con bajas potencias. 

Algunos refrigerantes son dañinos para la capa de ozono, mientras que otros producen efecto invernadero, otros más producen los dos efectos. Hasta ahora no se a encontrado un refrigerante completamente ideal. Sin embargo se ha avanzado mucho en el tema logrando resultados de refrigerantes que son mas amigables con el medio ambiente.

Tomado de: 
http://www.minambiente.gov.co/documentos/cartilla_mantenimiento_refrigeracion_aire.pdf
http://profedaza.wordpress.com/refrigerantes/procedimientos-para-los-refrigerantes/

Climatización (acondiconamiento del aire)

Climatización:

La climatización consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de los espacios habitados y en ciertas ocasiones también para otros objetos. Es de anotar que no siempre son necesarias estas condiciones, las mismas varían de acuerdo a las exigencias de la adecuación del área u objeto. 

La normativa española define  la climatización como: "dar a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad relativa, calidad del aire y, a veces, también de presión, necesarias para el bienestar de las personas y/o la conservación de las cosas". Puede constatarse que cualquier referencia al aire acondicionado ha sido retirada, por ser una expresión que, aunque correcta, puede ser equivocada, ya que la mayoría de la gente parece entender que se refiere exclusivamente a la refrigeración de áreas y sería más lógico se refiriese al acondicionamiento del aire en todas las épocas (verano e invierno).

A partir de esta definición se deduce que el concepto climatización equivale a lo que en inglés se llama Heating, Ventilating and Air Conditioning, o por sus siglas en ingles HVAC, expresión en la que aparece la calefacción por un lado y  el aire acondicionado por otro,  luego se supone que esto último se refiere exclusivamente a la refrigeración.

Por consiguiente, la climatización comprende tres cuestiones fundamentales: la ventilación, la calefacción, o climatización de invierno, y la refrigeración o climatización de verano.

La climatización puede ser natural o artificial, refiriéndonos casi exclusivamente a la climatización artificial en los siguientes artículos.

La presión

La presión puede definirse como la fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio, con otra fuerza conocida que puede ser la de una columna liquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

Presión Absoluta

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Ester termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.

Presión Atmosférica

El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,35Kpa), ,disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión Manométrica
Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.

De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.

Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, porque todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Medida de la presión. Manómetro
Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A y B están a la misma altura la presión en A y en B debe ser la misma. Por una rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama, la presión en A se debe a la presión atmosférica más la presión ocurrida por la diferencia de alturas del líquido manométrico.

p=p0+r gh

Experimento de Torricelli
Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h = 0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío p = 0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g /cm3 ó 13550 kg/m3 podemos determinar el valor de la presión atmosférica.

Tomado de: http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml#ixzz2ZSDdmAf5

Temperatura

La temperatura se refiere a la sensación térmica de calor, tibio o frío, la cual se mide con un termómetro. No se debe confundir temperatura con calor porque aunque son dos medidas que tienen una estrecha relación son totalmente diferentes.
La física lo define como una magnitud escalar relacionada con la energía térmica de un sistema termodinámico.
La temperatura no depende del numero de partículas que posea un cuerpo o de su tamaño.
En el momento en que existan dos cuerpos u objetos a diferentes temperaturas y se pongan en contacto, la energía térmica se moverá desde el objeto mas caliente hacia el mas frío hasta que sus temperaturas sea iguales. Por lo que la temperatura indica la dirección que tomará la energía térmica en la transferencia de un cuerpo u objeto a otro.
Medidas:
El instrumento más común para la medida de la temperatura es el termómetro, siendo la escala Celcius o "centigrada" (ºC) la mas conocida. También existe la escala Fahrenheit, (ºF) solo usada en gran parte en Estados Unidos. El sistema internacional de unidades toma como base la escala Kelvin (ºF) o escala absoluta, usada habitualmente en experimentos científicos y se gradúa en una escala de tamaño igual al los grados Celcius. También se usa con menos frecuencia la escala Rankine (°R) que está asociada a la escala Fahrenheit, (ºF) y establece su punto de referencia en el cero absoluto como la escala Kelvin.

Teoría del calor 3

Transferencia de calor: 

En física: proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Conducción:

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

Convección:

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Radiación:

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

Nelson Díaz Tapia

Tomado de: http://www.monografias.com/trabajos15/tcalor.shtml#ixzz2Y2D2fWv0

Aislamiento térmico: 

Es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. Se evalúa por la resistencia térmica que tienen. La medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente

La resistencia térmica es inversamente proporcional a la conductividad térmica.

Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida, al paso del calor a través de ellos. Algunos, muy escasa, como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos conductores; los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta, se llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes térmicos.

Ejemplos de estos aislantes térmicos específicos pueden ser las lanas minerales (lana de roca y lana de vidrio), las espumas plásticas derivadas del petróleo (EPS, Poliestireno expandido, Polietileno expandido, PUR, Poliuretano expandido), reciclados como los aislantes celulósicos a partir de papel usado y la lana de oveja, vegetales (paja, virutas madera, fardos de paja, corcho natural, etc.); entre otros .

Cuando se produce un "agujero" en el aislamiento, producido por un material muy conductor o un agujero físico, se habla de un puente térmico.

Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Aislamiento_t%C3%A9rmico