Frío industrial y aire acondicionado

308 Pages·2012·10.64 MB·Spanish

Frío industrial
y aire acondicionado
Magin Lapuerta Amigo
Octavio Armas

FRÍO INDUSTRIAL Y
AIRE ACONDICIONADO

Magin Lapuerta Amigo
Octavio Armas

Cuenca, 2012
© de los textos: sus autores.
© de la edición: Universidad de Castilla-La Mancha
Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Castilla-La Mancha
ISBN: 978-84-8427-967-9
Prólogo 5
PROLOGO
Este texto pretende recoger los contenidos de la asignatura Frio Industrial,
impartida durante diez años en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
de la Universidad de Castilla-La Mancha, y que han sido actualizados permanentemente
durante este tiempo. La asignatura se mantiene tras los recientes cambios de planes de
estudio, perteneciendo ahora al Máster de Ingeniería Industrial. Tras seis años en los
que este texto se ha editado desde la propia Escuela, pretendemos ahora dar el salto al
Servicio de Publicaciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, esperando que esto
sirva para ampliar la difusión del texto a otras escuelas, no necesariamente de dentro de
la universidad.
La no coincidencia del título del texto con el nombre de la asignatura se debe a
que, aunque el acondicionamiento de aire es una de las aplicaciones más importantes de
los sistemas de generación de frío, los principales sectores de implantación de sistemas
de aire acondicionado no son industriales, y por eso, ambas materias suelen distinguirse
claramente. Aunque se ha procurado no perder cierto carácter descriptivo y práctico, el
enfoque del texto es principalmente conceptual. Por eso se intentan dejar claros, antes
que nada, los principios de funcionamiento de los equipos, sus ciclos termodinámicos y
sus balances energéticos. Se presentan además unos pocos ejemplos prácticos
escogidos, solo en los casos en los que la comprensión de los conceptos lo requiere.
Gran parte de la información recopilada procede de internet. Esto, y el hecho de
que la bibliografía en español que puede recomendarse a los estudiantes sobre estos
temas y con enfoques parecidos a éste no es muy extensa, ha llevado a que las listas
bibliográficas que figuran al final de cada capítulo sean bastante cortas. Por otra parte,
es necesario agradecer la aportación de información y material a la empresa CIATESA,
de gran ayuda para la elaboración del texto, así como para el desarrollo de la asignatura
Frio Industrial.
Apenas se incluyen las tablas o diagramas de refrigerantes, pues se ha pretendido
que todo el material recopilado sea propio o de libre acceso. Por tanto, para el estudio de
la asignatura este texto solo constituye una herramienta de apoyo.

Los autores; Ciudad Real, 24 de Febrero de 2012
Indice 7
INDICE
PROLOGO 5
INDICE 7
TEMA 1. PRODUCCION DE FRIO: INTRODUCCION HISTORICA Y
CLASIFICACION DE METODOS 15
1.1. La producción de frío 17
1.2. Historia antigua de la producción de frío 17
1.3. Historia moderna de la producción de frío 18
1.4. Criterios de diseño en la producción de frío 25
1.5. Clasificación de los métodos de producción de frío 26
1.6. Sistemas de refrigeración por cambio de fase 27
1.7. Bibliografía 30
TEMA 2. FLUIDOS REFRIGERANTES 31
2.1. Definición, función y requisito 33
2.2. Clasificación en función de la presión de trabajo 33
2.3. Clasificación en función de su seguridad y toxicidad 34
2.4. Clasificación en función de su naturaleza y composición 35
2.5. Evolución histórica de los fluidos refrigerantes 37
2.6. Efecto medioambiental de los refrigerantes halogenados 39
2.6.1. Tipos de impacto y causas de emisión 39
2.6.2. Destrucción de la capa de ozono 39
2.6.3. Calentamiento atmosférico 41
2.7. Directivas y estrategias de sustitución de refrigerantes 43
2.8. Los refrigerantes naturales 44
2.9. Códigos de identificación de los refrigerantes 45
2.10. Criterios de selección de los refrigerantes 47
2.10.1. Criterios térmicos 47
2.10.2. Criterios técnicos 49
2.10.3. Criterios de seguridad, medioambientales y económicos 50
2.11. Bibliografía 51
TEMA 3. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION SIMPLE 53
3.1. El ciclo termodinámico inverso 55
3.2. El ciclo inverso de Carnot 56
8 Indice

3.3. El ciclo de refrigeración por compresión teórico 56
3.4. El ciclo de refrigeración por compresión real 58
3.4.1. Diferencias con el ciclo teórico en la compresión 58
3.4.2. Diferencias con el ciclo teórico en la cesión de calor 60
3.4.3. Diferencias con el ciclo teórico en la absorción de calor 62
3.5. Subenfriamiento y sobrecalentamiento combinados 63
3.6. Parámetros característicos del ciclo 64
3.6.1. Cuestiones generales 64
3.6.2. Máquina de refrigeración 64
3.6.3. Bomba de calor 65
3.7. Diseño y aplicación de los equipos 65
3.7.1. Máquina de refrigeración 65
3.7.2. Bomba de calor 67
3.7.3. Máquinas reversibles 68
3.8. Influencia de los parámetros de funcionamiento 69
3.9. Bibliografía 71
TEMA 4. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION
MULTIPLE 73
4.1. Definición, aplicaciones e implicaciones 75
4.2. Sistemas de compresión múltiple directa 76
4.2.1. Compresión en varias etapas 76
4.2.2. Enfriamiento entre etapas de compresión con agente externo 76
4.2.3. Enfriamiento entre etapas de compresión con agente interno 78
4.2.3.1. Sistemas de inyección de líquido 78
4.2.3.1. Sistemas de expansión escalonada 80
4.2.3.1. Sistemas de compresión partida 81
4.2.4. Elección de la presión intermedia 83
4.2.5. Ejemplo práctico 84
4.2.5.1. Enunciado 84
4.2.5.1. Resolución 84
4.3. Sistemas de compresión múltiple indirecta 86
4.3.1. Consideraciones generales 86
4.3.2. Potencia mecánica requerida y eficacia 87
4.4. Bibliografía 89
TEMA 5. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR POR ABSORCION 91
5.1. Introducción 93
5.2. Revisión histórica 93
Indice 9
5.3. Descripción del ciclo termodinámico 94
5.4. Descripción de la máquina 96
5.5. Sistemas con generador de doble efecto 97
5.6. Balance energético 99
5.7. Balance entrópico 99
5.8. Refrigerantes y absorbentes 101
5.8.1. Requisitos 101
5.8.2. Rango de temperaturas bajo 102
5.8.3. Rango de temperaturas alto 104
5.8.4. Ecuaciones para el cálculo de los diagramas de equilibrio 106
5.9. Balances másicos 107
5.10. Balances entálpicos 108
5.11. Funcionamiento como bomba de calor 109
5.12. Funcionamiento como transformador de calor 109
5.13. Ejemplo práctico 110
5.13.1. Enunciado 110
5.13.2. Resolución 111
5.14. Bibliografía 113
TEMA 6. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR EYECCION 115
6.1. Introducción 117
6.2. Aplicaciones y fluidos refrigerantes empleados 118
6.3. Descripción del ciclo termodinámico 119
6.4. Descripción del eyector y comportamiento del flujo 120
6.5. Diferencias con el ciclo teórico 122
6.6. Eficacia del sistema 122
6.7. Sistemas con mezcla 123
6.8. Sistemas de refrigeración por compresión y eyección combinados 126
6.9. Ejemplo práctico 127
6.9.1. Enunciado 127
6.9.2. Resolución 127
6.10. Bibliografía 129
TEMA 7. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR EXPANSION 131
7.1. Introducción 133
7.2. Aplicaciones y fluidos refrigerantes empleados 134
7.3. La máquina de enfriamiento de aire 135
10 Indice

7.3.1. Fundamentos 135
7.3.2. La máquina de enfriamiento de aire de compresión doble 137
7.3.3. La máquina de enfriamiento de aire regenerativa 138
7.3.2. Sistemas de acondicionamiento de cabinas de avión 139
7.4. El ciclo Siemens 140
7.5. Sistemas de producción de frío por expansión isoentálpica 141
7.5.1. Fundamentos 141
7.5.2. El ciclo Linde 141
7.5.2. El ciclo Linde dual 143
7.5.3. El ciclo Claude 144
7.5.4. Variantes del ciclo Claude 145
7.5.3. Ciclos de separación de gases 146
7.6. La máquina de refrigeración Stirling 147
7.7. Bibliografía 150
TEMA 8. REFRIGERACION POR EFECTOS ESPECIFICOS 151
8.1. Introducción 153
8.2. Efectos termoeléctricos 153
8.3. Refrigeración por efecto termoeléctrico 154
8.3.1. Principio operativo 154
8.3.2. Ventajas y aplicaciones 155
8.3.3. Balance energético 156
8.3.4. Criterios de utilización 158
8.3.5. Ejemplo práctico 160
8.3.5.1. Enunciado 160
8.3.5.1. Resolución 160
8.4. Refrigeración por efecto magneto-termo-eléctrico 162
8.5. Refrigeración por efecto magneto-térmico 162
8.6. Refrigeración por efectos fluidodinámicos 164
8.6.1. Efecto Ranque-Hilsch 164
8.6.2. Efecto Dufour 165
8.7. Refrigeración por efectos acústicos y ópticos 166
8.7.1. Refrigeración termoacústica 166
8.7.2. Refrigeración por técnicas láser 167
8.8. Bibliografía 167
TEMA 9. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACION 169
9.1. Introducción 171
Indice 11
9.2. Compresores 171
9.2.1. Clasificación 171
9.2.2. Compresores alternativos 171
9.2.3. Compresores rotativos 173
9.2.4. Turbocompresores 177
9.3. Válvulas de expansión 178
9.3.1. Funciones, criterios de regulación y tipos de válvulas 178
9.3.2. Válvulas manuales 179
9.3.3. Válvulas presostáticas 180
9.3.4. Válvulas termostáticas 181
9.3.4. Válvulas de flotador 182
9.3.4. Válvulas de sección constante 183
9.4. Evaporadores 183
9.5. Condensadores 185
9.6. Otros elementos 187
9.6.1. Válvulas inversoras 187
9.6.2. Filtro deshidratador 188
9.7. Bibliografía 188
TEMA 10. SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO: OBJETIVOS,
NORMATIVAS Y CONFIGURACIONES 189
10.1. Definiciones, objetivos y aplicaciones 191
10.2. Reglamentos y normativas 193
10.3. Configuraciones 196
10.3.1. Clasificaciones 196
10.3.1. Sistemas unitarios 196
10.3.2. Sistemas centralizados 199
10.3.2.1. Características generales 199
10.3.2.2. Sistemas todo-aire 200
10.3.2.3. Sistemas todo-agua 201
10.3.2.3. Sistemas aire-agua 202
10.3.2.4. Distribución con refrigerante 202
10.3.3. Sistemas semicentralizados 202
10.4. Sistemas de recuperación de energía 203
10.4. Diseño de instalaciones 204
10.5. Bibliografía 204
TEMA 11. VARIABLES Y DIAGRAMAS PSICROMETRICOS 207