Principios Fundamentales

Calor y Transferencia de Calor

El calor o transferencia de calor es un movimiento de energía ocasionado por una diferencia de temperatura.

Termodinámica: Origen y Leyes

La Termodinámica comenzó en el siglo XIX por la necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor.

• Trata sobre la mecánica del calor.
• Las leyes de la termodinámica rigen todos los procesos naturales.
• Primera Ley: Conservación de la energía.
• Segunda Ley: Posibilidad o imposibilidad de ciertos procesos.

Medición y Propiedades Termodinámicas

Para estudiar los procesos de aire acondicionado (AC) y refrigeración, es necesario conocer la temperatura y la presión, lo que permitirá obtener otras propiedades como: densidad, energía interna y entalpía. Estas se necesitan para calcular el calor (Q) y el trabajo (W).

Temperatura

La temperatura es la medida de la energía térmica del movimiento aleatorio de las moléculas de una sustancia en equilibrio térmico.

Equilibrio Térmico

Sabemos que si dos cuerpos M1 y M2 que están a temperaturas diferentes entran en contacto, fluirá calor desde el cuerpo más caliente al cuerpo más frío. Luego de un tiempo, ambos estarán en equilibrio térmico (T1=T2).

Principio Cero de la Termodinámica

«Cuando un cuerpo A está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos B y C, estos estarán igualmente en equilibrio térmico entre sí». Este principio permite establecer escalas de temperatura.

Escalas de Temperatura

0 °C (Celsius) es el punto de congelación del agua y 100 °C es el de ebullición. Las escalas absolutas son Kelvin (para Celsius) y Rankine (para Fahrenheit).

• T(F) = 1,8 * T(C) + 32
• T(R) = T(F) + 459,6
• T(K) = T(C) + 273,15

Medidores de Temperatura

Utilizan diferentes fenómenos:

• Variación en el volumen o en el estado de los cuerpos.
• Variación de resistencia de un conductor.
• Variación de resistencia de un semiconductor.
• Fuerza electromotriz.

Termómetro de Vidrio

Consta, por ejemplo, de mercurio que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. El tubo permite amplificar la dilatación del líquido.

Termómetro Bimetálico

Se basa en las diferencias de coeficientes de dilatación de dos metales diferentes.

Termistor

Semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, que presenta una curva característica lineal tensión-corriente.

Termopar

Se basan en el efecto Seebeck (1821) de la circulación de corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distintas temperaturas.

Puntos Termométricos

Se necesitan una serie de puntos de referencia fácilmente replicables para poder calibrar diferentes tipos de termómetros en diferentes intervalos de temperatura.

Presión

La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie.

1. Absoluta: En relación al cero absoluto de presión (vacío).
2. Atmosférica: Presión ejercida por la atmósfera terrestre (barómetro).
3. Manométrica: Medida con un instrumento.
4. Manométrica de Vacío: Diferencia de presión entre la manométrica y la absoluta.

Medidores de Presión

1. Barómetro: Mide la presión atmosférica y se representa como un tubo de ensayo invertido inmerso parcialmente en una piscina de mercurio.
2. Manómetro en «U»: Tubo de vidrio que representa una U, con líquido manométrico (mercurio).
3. Manómetro de Bourdon: Tubo metálico delgado con una sección transversal elíptica, cerrado en uno de sus extremos, que ha sido doblado en forma de arco.

Otras Propiedades Fundamentales

Densidad

Masa por unidad de volumen.

Volumen Específico

Número de centímetros cúbicos por un kilo de esta sustancia.

Calor

Es una forma de energía en tránsito, porque nunca se mantiene estático; siempre va de cuerpos de mayor energía a menor.

Caloría

Cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14,5 °C hasta 15,5 °C.

Refrigerantes: Tipos y Propiedades

¿Qué es un Refrigerante?

Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo.

Propiedades Ideales de los Refrigerantes

• Baja temperatura de ebullición.
• Alto calor latente de vaporización.
• Fácil detección de pérdidas.
• Inocuo para aceites lubricantes.
• Bajo punto de congelación.
• No inflamable.
• No tóxico.
• Alta temperatura crítica.
• No corrosivo.
• Moderadas presiones de trabajo.
• Bajo costo.

Criterios de Selección para Refrigerantes Sustitutos

• Duración en la atmósfera.
• Potencial de agotamiento del ozono.
• Índice total de recalentamiento.
• Toxicidad e inflamabilidad.
• Presión de trabajo.
• Características de transferencia de calor.
• Compatibilidad con otros materiales.
• Miscibilidad con lubricantes.

Clasificación de Refrigerantes

• Naturales: Amoniaco, anhídrido carbónico, hidrocarburos.
• Sintéticos:
  • Halogenados (CFC): Derivados de hidrocarburos donde el H es reemplazado por Cl y F.
  • Parcialmente Halogenados (HCFC): Ej. R-22.
  • Denominados Ecológicos (HFC): El Cl es reemplazado por H.

Refrigerantes Puros y Mezclas

Un fluido puro no cambia su composición cuando evapora o cuando condensa (ej. CFC-11, CFC-12). Las mezclas están compuestas por más de un tipo de moléculas (ej. R400, R500).

Criterios para la Elección de Componentes de Mezcla

• Presión de vapor.
• Propiedades para transportar lubricantes.
• Compatibilidad con lubricantes.
• Rendimiento termodinámico.
• Costo.
• Inflamabilidad.
• Toxicidad.
• Estabilidad.
• Alteración del medio ambiente.

Tipos de Mezclas Refrigerantes

• Mezclas Azeotrópicas: Se comportan como una sustancia pura cuando cambian de fase. Los componentes tienen la misma temperatura de evaporación a la presión de la mezcla (ej. R-507). Son mezclas de dos o más sustancias químicas que adquieren las características de un refrigerante único, y su numeración comienza por 5 (ej. R-500).
• Mezclas Zeotrópicas: Mezclas de sustancias químicas que mantienen algunas características de los componentes originales. Se identifican por tres números y comienzan por 4 (ej. R-401 A). El líquido/vapor tiene distinta concentración de componentes cuando se condensa/evapora. A presión constante, la temperatura de evaporación y condensación cambian con la concentración de cada componente (deslizamiento), lo que representa su desviación respecto de un azeotrópico (ej. R407 C).

Nomenclatura de Refrigerantes

Ejemplo: R-134a (C2H2F4)

• (1) Una unidad menos que el número de carbonos.
• (3) Una unidad más que los átomos de hidrógeno.
• (4) Número de átomos de flúor.
• (a) Isómero, disposición de átomos diferentes.

Consideraciones sobre la Composición de Mezclas

Importante: La variación en la composición de la mezcla puede alterar las propiedades de la misma en circunstancias imprevistas, tales como una fuga.

Zeotropía en Equilibrio Líquido/Vapor

El componente de mayor presión de vapor tendrá una concentración mayor en la fase de vapor, por encima de la fase líquida (fraccionalización).

Carga de Refrigerante

El refrigerante puede cambiar de fase en el cilindro:

• Azeotrópico: No hay problema.
• Zeotrópico: Puede haber cambios significativos.

Puntos Característicos en el Cambio de Fase

El punto de burbujeo es cuando el líquido subenfriado es calentado y aparece la primera burbuja de gas. El punto de rocío es cuando el vapor es enfriado y aparece la primera gota de líquido. La diferencia entre temperaturas a una presión determinada se denomina «deslizamiento».

Conclusiones sobre el Deslizamiento

• La temperatura no permanecerá constante durante la evaporación o la condensación.
• La caída de presión en el evaporador tiende a neutralizar el deslizamiento.
• En el condensador, la caída de presión aumenta el deslizamiento.

Consideraciones Prácticas

• Sobrecalentamiento en la válvula de expansión: Punto de rocío.
• Subenfriamiento de líquido: Punto de burbujeo.

Impacto Ambiental y la Capa de Ozono

La Capa de Ozono

Se encuentra en la estratosfera, por encima de los 15 km de altura y con un espesor de 40 km. El ozono absorbe la luz ultravioleta-B, que es letal.

Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono (SAO)

Los CFC, los HCFC, el metilcloroformo y los halones. Actúan como potentes gases de efecto invernadero, absorbiendo radiación infrarroja.

Líneas de Rocío y Burbujeo

La línea de rocío es el conjunto de temperaturas a las cuales aparece la primera gota de líquido cuando el vapor sobrecalentado es enfriado. La línea de burbujeo es el conjunto de temperaturas a las cuales aparece la primera burbuja de vapor cuando un líquido subenfriado es calentado.

El Ozono (O3)

El ozono (O3) filtra naturalmente la radiación ultravioleta. Es extremadamente sensible a la acción catalítica producida por radicales libres de Cloro y Bromo.

Acción Catalítica y Destrucción del Ozono

• Destrucción del oxígeno impar, eliminación de los oxígenos libres que lo originan.
• Cada átomo de Cloro liberado destruye 100.000 moléculas de ozono.
• Mientras que 60.000 moléculas de ozono son formadas por impacto fotónico.

Protocolo de Montreal y sus Efectos

Protocolo de Montreal

• CFC’s: Prohibida su fabricación desde el 1 de enero de 2016 (R-11, R-12, R-502).
• R-22 (HCFC): Reducción a un 65% de la producción para el año 2004.

Indicadores de Impacto Ambiental

• ODP: Disminución Potencial del Ozono.
• HGWP: Calentamiento Global Potencial por Halocarburos.
• TEWI: Impacto Total Equivalente del Calentamiento.

Perjuicios Ocasionados por el Agotamiento del Ozono

• Incrementos en los casos de cáncer de piel (reducción del 10% de la capa de ozono = +26% de cáncer de piel).
• Cataratas.
• Afecta el fitoplancton en los mares.
• Afecta la productividad en las cosechas.

Tecnología VRF (Volumen de Refrigerante Variable)

¿Qué es VRF?

La tecnología VRF (Volumen de Refrigerante Variable – del inglés Variable Refrigerant Flow) es un concepto referido a equipos de aire acondicionado desarrollado especialmente para residencias amplias y edificios comerciales de medio y gran tamaño. Se trata de un sistema multi-split, en el que la unidad externa se encuentra ligada a múltiples unidades internas, que operan individualmente por ambiente, por medio de los llamados sistemas de expansión directa, en los que el refrigerante “intercambia” calor con el aire del ambiente y luego retorna a su condición inicial en el ciclo del sistema de refrigeración.

Funcionamiento de los Sistemas VRF

VRF es un sistema de aire acondicionado de expansión directa. En él, el aire del ambiente intercambia calor directamente con el refrigerante, gracias a la acción de un componente que llamamos evaporadora. Los equipos VRF, en resumen, son diferentes y altamente ecoeficientes, principalmente porque con un único compresor ellos “abastecen” un número mayor de ambientes, en comparación con los equipos convencionales.

Diferencias Clave con Sistemas Convencionales

Los sistemas VRF, una de las alternativas para los proyectos de gran tamaño, hacen posible que con una única unidad externa operen más de 30 unidades internas, las cuales pueden ser controladas individualmente. La mayor diferencia entre los VRF y las aplicaciones con equipos split convencionales es que en estos últimos cada unidad interna debe estar conectada directamente a una unidad externa, multiplicando el uso de estas últimas. Además, las distancias de instalación entre las unidades externas e internas para el VRF no son tan limitadas como en el sistema convencional.

Los equipos VRF mueven el calor extraído de un cuarto al aire exterior, por medio del refrigerante que recircula en el sistema por su expansión y condensación.

Ventajas de la Tecnología VRF

Al contrario de los llamados sistemas de expansión indirecta (agua helada), el VRF mantiene la uniformidad en la capacidad de refrigeración ofrecida a cada unidad evaporadora. Al mismo tiempo, puede ser accionado por solo un usuario sin que otros componentes del sistema tengan que ser conectados al mismo tiempo, situación que sucede, invariablemente, en los sistemas de expansión indirecta. Otra ventaja es su precio accesible.

• Tecnología Inverter Integrada

  Los sistemas VRF cuentan siempre con al menos uno de sus compresores inverter, de forma que pueden modular la generación térmica y adaptarla perfectamente a la demanda sin necesidad de depósitos de inercia ni otros elementos intermedios que siempre suponen pérdidas.

• Sistema de Control Inteligente

  El avanzado sistema de gestión eléctrico de los sistemas VRF permite que la unidad exterior conozca en todo momento el número de unidades interiores en funcionamiento y adapte el sistema según convenga, haciendo funcionar solo un módulo exterior, dos o los necesarios, incluso se llega a detener todo el sistema si no hay ningún equipo interior funcionando.

• Optimización del Flujo de Energía

  El sistema VRF tiene menos conversiones de energía intermedias hasta llegar a enfriar/calentar el aire del local, por lo tanto, menos pérdidas.

• Operación sin Bombeo Adicional

  Al contrario que los sistemas aire-agua, los equipos VRF no necesitan bombas ya que el propio compresor hace circular el gas por la instalación, por lo tanto, un punto menos de consumo de energía.

Desventajas y Consideraciones de Seguridad en VRF

El VRF presenta un pequeño inconveniente que no se suele tener en cuenta. Aunque el gas refrigerante (normalmente R410A) no es tóxico, en caso de fuga sí podría desplazar el aire de una habitación e inundar la misma con gas, de forma que no tendríamos oxígeno para respirar. Repito que no sucede nada por respirar R410A, pero sí sucede si no respiramos oxígeno. Por ello, el Reglamento de Instalaciones Frigoríficas establece un límite entre el gas total de la instalación y el recinto cerrado más pequeño (habitación), de forma que si se escapa todo el gas dentro de la habitación más pequeña, no sea tanto que desplace todo el aire de la misma.