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Un análisis detallado del diseño termodinámico y mecánico de un condensador evaporativo. Incluye secciones sobre los datos de diseño, conceptos preliminares, carga del condensador, diferencia media logarítmica de temperatura (lmtd), sección de la tubería, espacio de los tubos, gasto y velocidad del agua de circulación, coeficiente global de transmisión de calor, cálculo del área de transmisión de calor, longitud de tubos y números de pasos, y caída de presión. También aborda las especificaciones preliminares, los elementos constitutivos de un intercambiador de calor, el cálculo para el diámetro de coraza, la selección y cálculo mecánico de las tapas, y el cálculo mecánico del peso del recipiente. Con gráficas, tablas y conclusiones, este documento proporciona una guía completa para el diseño de un condensador evaporativo.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO
PRESENTA: OSCAR DANIEL VILLASANA VILLAGOMEZ
ASESORES:
M. EN C. ALFONSO HERNÁNDEZ ZÚÑIGA ING. FERNANDO VERGARA CAMACHO
MÉXICO, D.F. 2010
QUE PARA OBTENER El TíTULO DE INGENIERO MECÁNICO DEBERA DESARROllAR EL C.: OSCAR DANIEL VILLASANA VILLAGOMEZ
En la actualidad los sistemas de aire acondicionado han tomado gran auge en la mayoría de los estados del país debido a sus características climáticas o bien forman parte de grandes construcciones o lujosos condominios y parte fundamental de un equipo de acondicionamiento de aire es el condensador el cual es su soporte principal al momento de efectuar su operación, de aquí la importancia de diseñar un condensador de coraza y tubos con características de construcción que aseguraran la vida útil de todo el sistema.
EL TEMA COMPRENDERÁ LOS SIGUIENTES PUNTOS:
México , D. F., a 22 de Octubre del 2009. \,\Gt NIER/ <::;)<v )l\Oos ,e.~~~C' $?^ !<- <;)^ o~ ...'v.C""^ ~ o:: ¡r fj. Q
~ :~. .l i ~ '?.,~~~,) ~~~ 1.-~~f).,;p:. ~ ~ ERNÁNDEZ <S'~ ap l~tiG. FERNANDO VER ARA CAMACHO Dep arta mento de Trayecto rias
. y Servicies Acacló H: \co s E.5.!.M.E. I H.~ fO )"~D ~, Z C J" p rr r: : A LCO Vo.Bo. EL DIRECTOR
ING. JORGE GÓMEZ VILLARREAL NOTA: Se sugiere utilizar el Sistema Internacional de Unidades. AT-2:¡8/. P. S. o 18 A JGV ~ / m ro *
ÍNDICE Pág.
INTRODUCCION 1
CAPITULO I GENERALIDADES 4
1.1 Breve Historia de la Refrigeración 5
1.2 Tipos de Refrigeración 10 1.2.1 Refrigeración Domestica 1.2.2 Refrigeración Comercial 1.2.3 Refrigeración Industrial 1.2.4 Refrigeración para Aire Acondicionado 1.2.5 Refrigeración Marina
1.3 Sistemas de Refrigeración 12 1.3.1 Sistema de Enfriamiento 1.3.2 Sistema de Refrigeración 1.3.3 Sistema de Congelación 1.3.4 Sistema de Criogénico
1.4 Sistema de Refrigeración por Compresión de Vapores 14 1.4.1 Ciclo Básico de Sistema de Refrigeración 1.4.2 Diagrama Presión Entalpia (Diagrama de Mollier) 1.4.3 Sistema de Refrigeración Directo 1.4.4 Sistema de Refrigeración Indirecto
1.5 Conceptos Básicos 20 1.5.1 Termodinamica 1.5.2 Principio Cero de la Termodinamica 1.5.3 Primer Principio de la Termodinamica 1.5.4 Segundo Principio de la Termodinamica 1.5.5 Energía 1.5.6 Fuerza 1.5.7 Presión 1.5.8 Presión Atmosférica 1.5.9 Presión Manométrica 1.5.10 Presión Absoluta 1.5.11 Estado de la Materia 1.5.12 Proceso Termodinámico 1.5.13 Ciclo Termodinámico 1.5.14 Calor 1.5.15 Calor Especifico 1.5.16 Cálculo de la Cantidad de Calor 1.5.17 Transferencia de Calor 1.5.18 Conducción 1.5.19 Convección 1.5.20 Radiación 1.5.21 Calor Sensible 1.5.22 Calor Latente 1.5.23 Calor Total 1.5.24 Calor Latente de Fusión 1.5.25 Calor Latente de Vaporización 1.5.26 Calor Latente de Sublimación 1.5.27 Entalpia 1.5.28 Entropia 1.5.29 Volumen 1.5.30 Volumen Especifico
1.5.31 Temperatura 1.5.32 Punto de Ebullición 1.5.33 Refrigerante 1.5.34 Tonelada de Refrigeración 1.5.35 Sobrecalentamiento 1.5.36 Subenfriamiento
CAPITULO II SELECCIÓN DEL TIPO DE CONDENSADOR 38
2.1 Clasificación de Condensadores para la Refrigeración 39
2.2 Condensadores Enfriados por Agua 42 2.2.1 Condensadores de Doble Tubo 2.2.2 Condensadores de Envolvente y Tubo Vertical Abierto 2.2.3 Condensador de Coraza Envolvente y Tubo Horizontal 2.2.4 Condensador de Envolvente y Serpentín
2.3 Condensador Evaporativo 48
2.4 Diseño Termodinámico 50 2.4.1 Datos de Diseño 2.4.2 Conceptos Preliminares 2.4.3 Carga del Condensador 2.4.4 Diferencia Media Logarítmica de Temperatura (LMTD) 2.4.5 Sección de la Tubería 2.4.6 Espacio de los Tubos 2.4.7 Gasto y Velocidad del Agua de Circulación 2.4.8 Coeficiente Global de Transmisión de Calor 2.4.9 Cálculo del Área de Transmisión de Calor 2.4.10 Longitud de Tubos y Números de Pasos 2.4.11 Caída de Presión
CAPITULO III DISEÑO MECÁNICO 70
3.1 Especificaciones preliminares 71
3.2 Elementos constitutivos de un intercambiador de calor 73
3.3 Cálculo para el diámetro de coraza
3.4 Selección y cálculo mecánico de las tapas 79
3.5 Cálculo mecánico del peso del recipiente 81 3.5.1 Peso vacío del recipiente 3.5.2 Peso del agua del recipiente 3.5.3 Resultado del peso del agua del recipiente
ANEXOS 85
GRAFICAS Y TABLAS 86
CONCLUSIONES 104
BIBLIOGRAFIA 105
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Los calentadores abiertos de agua potable, enfriadores y los inyectores de condensación, son ejemplos de equipos de transferencia de calor que emplea la mezcla directa de fluidos. Sin embargo son mas comunes los condensadores en los cuales un fluido esta separado del otro por una pared o división a través de la cual fluye el calor. A este tipo de condensadores se les llama también recuperadores. Existen muchas modalidades de tales equipos desde un tubo doble concéntrico (un tubo dentro de otro) con algunos pies cuadrados de superficie para la transferencia de calor, hasta complicados condensadores de superficie y evaporadores con muchos miles de pies cuadrados de superficie para la transferencia de calor.
Una de las razones de que los equipos puedan dañarse es por efecto de las variaciones de temperatura. A raíz de esto es que se ha podido fabricar distintos equipos especializados para el intercambio de calor. Estos aparatos sirven para evitar el sobrecalentamiento de las maquinas y así lograr mantener una temperatura ideal de trabajo. Por otro lado también hay tipos que fueron construidos para mantener por debajo de cierta temperatura, ya sea, alimentos, medicinas etc.
Los intercambiadores de calor son dispositivos usados para la transferencia de calor entre dos o más fluidos. Los intercambiadores de calor compactos son comúnmente usados en los procesos industriales de Ventilación Calentamiento, Refrigeración y también de Aire acondicionado, debido a su economía, construcción y operación.
El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.
Fluidos en un intercambiador de calor
Entre estos extremos hay un extenso surtido de cambiadores comunes de coraza y tubo. Estas unidades se usan ampliamente, por que pueden construirse con grandes superficies de transferencia de calor en un volumen relativamente pequeño, pueden fabricarse de aleaciones resistentes a la corrosión, y son idóneas para calentar, enfriar o evaporar o condensar toda clase de fluido.
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El diseño de un cambiador de calor, puede descomponerse en tres fases principales:
1.- El diseño térmico. 2.- El diseño mecánico preliminar. 3.- el diseño para su construcción.
El diseño térmico se ocupa primordialmente de determinar el área de superficie necesaria para transferir calor a una velocidad específica a determinados niveles dados de flujo y temperatura de los fluidos.
El diseño mecánico obliga a considerar las temperaturas y presiones de operación, las características de corrosión de uno o ambos fluidos, las expansiones térmicas relativas, los esfuerzos que acompañan y la relación del cambiador de calor con otro equipo que intervenga.
El diseño de fabricación exige traducir las características y dimensiones físicas a una unidad que pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la selección de materiales, acabados y cubiertas, elegir el dispositivo mecánico óptimo, y especificar los procedimientos de fabricación.
Para obtener máxima economía, la mayoría de los fabricantes han adoptado líneas estándar de cambiadores de calor. Las normas establecen los diámetros de los tubos y los dominios de presión, además de promover el uso de modelos y procedimientos de fabricación estándar; sin embargo, la estandarización no significa que estos mecanismos puedan fabricarse de modelo y tipo uniformes, por que las necesidades de servicio varían demasiado.
Casi todo cambiador requiere cierto grado de diseño técnico especial, pero si las condiciones de servicio lo permiten, el empleo de cambiadores construidos de acuerdo con líneas estándar economiza dinero. Por lo tanto, a menudo se pide al ingeniero encargado de instalar de cambiadores de calor en plantas de potencia y equipos de proceso, que seleccione la unidad cambiadora de calor adecuada para una ampliación en particular. La selección exige efectuar un análisis térmico, para determinar si una unidad estándar, de geometría y tamaños específicos puede satisfacer los requisitos de calentamiento o enfriamiento de un fluido dado a una velocidad especificada. En este tipo de análisis, el costo inicial debe equilibrarse con factores tales como la vida útil del equipo, facilidad de limpieza y espacio que ocupa. También es importante cumplir las exigencias de los códigos de seguridad, para la cual deben consultarse las normas respectivas.
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Desde hace mucho tiempo, el hombre ha tratado de dar aplicaciones al fenómeno natural de enfriamiento. Se tiene conocimiento que en la antigua China, hubo emperadores que mandaba traer nieve a las montañas para mitigar el calor a base de bebidas enfriadas con esta nieve.
El arte de la refrigeración basado en el hielo natural es muy antiguo y se practicó mucho antes de construirse cualquier máquina térmica. Hay escritos chinos, anteriores al primer milenio a. J.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo. Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y según Las mil y una noches , en la Edad Media caravanas de camellos transportaban hielo desde el Líbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad.
Los griegos y los romanos comprimían la nieve en pozos aislados con pasto, paja y ramas de árboles. La nieve comprimida se convertía en hielo para ser usado en épocas de mayor calor. Esta práctica la describe Peclet y ha llegado hasta casi mediados del siglo XX en algunas zonas rurales catalanas, donde existían los llamados pous de glaç. Estos pozos se construían en laderas umbrías de los montes, de forma cónica con la base en la superficie y con un pozuelo en el fondo separado por una rejilla y en forma que se pudiese recoger y verte fuera el agua producida por la fusión de hielo. A medida que se iba echando la nieve o el hielo en estos pozos, se rociaban con agua helada y, una vez llenos, se cubrían su boca con paja y tablas que aislaban el hielo del calor exterior; así conservaban hielo preparado en invierno.
Otros escritos antiguos describen cómo los egipcios, hindúes y otros pueblos, empleaban procedimientos para producir hielo artificialmente, en general parecidos en sus principios. Se llenaban con agua vasijas poco profundas de arcilla porosa u otro material análogo y se colocaban sobre gruesos lechos de paja durante la noche. Si las condiciones atmosféricas eran favorables: frío, aire seco y una noche sin nubes, la pérdida de calor, debida a la evaporación nocturna, originaba la formación de finas capas de hielo en la superficie. La paja impedía la conducción del calor desde la tierra más caliente y la forma de las vasijas, poco profundas y de una gran superficie, facilitaba la evaporación y la pérdida de calor por radiación. Estos primeros métodos de producir refrigeración son otro notable ejemplo de la habilidad humana, patente en toda la historia de la termotécnia y las máquinas térmicas, para desarrollar un arte útil mucho antes de la existencia de las correspondientes bases racionales y científicas; facultad de utilizar y creer lo que no se entiende que ha marcado la evolución de la humanidad.
Asimismo, hasta mediados del siglo XIX existían navieras especializadas que transportaban miles de toneladas de hielo de Suecia y de los Grandes Lagos de EE.UU.A y Canadá a las Indias orientales, Australia, las Antillas y América del Sur.
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Los antiguos egipcios encontraron que el agua se podía enfriar, colocándola en jarras porosas en la parte superior de los techos, la brisa nocturna evaporada que se filtraba a través de las jarras, hacia que el agua que contenían se enfriará. Los griegos y romanos dispusieron de la nieve que bajaba desde la parte superior de las montañas, almacenándola en fosas de forma cónica que forraban con paja y ramas, conforme avanzo la civilización, la gente fue aprendiendo a enfriar las bebidas y los alimentos, pensando, simplemente, en hacerlos mas agradables.
La utilización de los procesos químicos mediante mezclas refrigerantes se puede considerar como una etapa intermedia entre el frío natural y el frío artificial, y desde antiguo se conocía que añadiendo ciertas sales, como por ejemplo el nitrato sódico, al agua, se consigue disminuir su temperatura.
Este procedimiento era utilizado en la India en el siglo IV y durante la dominación musulmana en la península Ibérica. Así, los Omeyas introdujeron en Córdoba los sorbetes que elaboraban usando una mezcla de nieve con salitre.
En 1553 un médico español, aposentado en Roma, Blas Villafranca se ocupaba, en su libro, editado en Roma, Methodes refrigerandi ex vocato sale nitro vinum aquamque acpotus quodvis aliud genus, cui accedaent varia naturalium rerum problemata, non minus jucunda lectu, quam necesaria cognitu , del enfriamiento del agua y el vino por medio de mezclas refrigerantes, nombrando por primera vez la palabra refrigerar en el sentido de lograr y mantener una temperatura inferior a la del ambiente. En 1607 se descubrió que podía utilizarse una mezcla de agua con sal para congelar el agua.
En el año de 1626, el científico inglés Francis Bacon, experimentó por primera vez la refrigeración para conservar los alimentos, intentando la conservación del pollo, mediante el recurso de rellenarlo con nieve. Aunque partía de una mera intuición, pues hasta entonces, todavía no se sabía exactamente por que se descomponían los alimentos.
En 1683, un científico alemán de nombre Antón Van Leeuwennoek, descubrió un mundo científico totalmente novedoso, gracias a su invento del microscopio, descubrió que un cristal transparente de agua contenía millones de organismos vivientes, que en la actualidad se denominan microbios.
Los científicos estudiaron los microbios y encontraron que la rápida multiplicación de los mismos, se realiza en condiciones calientes y húmedas, tal como las que se presentan en los alimentos. Esta multiplicación de microbios fue reconocida prontamente como la causa principal del deterioro de los alimentos.
Por el contrario, se comprobó que al mismo tiempo, los microbios a temperaturas de 10° C. o menores no se multiplicaban. Mediante estos estudios científicos se hizo
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La máquina de operación continua, que tuvo mayor repercusión, era mucho más elaborada; tenía casi todas las características de las máquinas actuales. El conjunto estaba formado por un calentador, en cuya parte superior había un rectificador para que el amoniaco desprendido se desecara calentándolo (rectificación) antes de pasar al condensador situado en la caja, llena de agua fría que se renueva para mantener la temperatura alrededor de los 30°C y compuesto de dos serpentines, después del cual estaba una válvula de expansión que daba paso al serpentín evaporador inmerso en salmuera, en la que había unos moldes en donde el agua era congelada. El cilindro r" a la salida del condensador, recibía el líquido condensado en los serpentines a 30°C y 8 atmósferas, que se mantenían en el calderín, al no haber ningún estrangulamiento entre ambos. El amoniaco condensado iba a un vaso distribuidor, de donde se extraía a través de una válvula h que proporcionaba la pérdida de carga suficiente para que aguas abajo de la misma, en el evaporador, la presión fuese de 1 atmósfera. Completaban el ciclo un absorbedor donde se regeneraba la solución concentrada y una bomba N, que la enviaba al calentador. Observando la válvula de seguridad, en la parte superior del rectificador y la precaución de que los vapores (de amoniaco) fuesen a un recipiente con agua, cerrado para evitar la dispersión del amoniaco.
Esta máquina fue fabricada en París en 1860, y se hicieron 5 modelos con unas capacidades de producción de 12 a 100 kg de hielo por hora. Un cuadro del folleto de Damàs Calvet citado, resume las prestaciones de las máquinas ofertadas por Carré.
La máquina de Carré fue rápidamente exportada a otros países y en algunos de ellos, como Alemania, Gran Bretaña y Estados Unidos fue construida y perfeccionada. Precisamente fue en el Sur de los Estados Unidos donde la máquina de absorción tuvo mayor difusión y aunque al principio su utilización se limitaba a fábricas de hielo y de cerveza, más adelante amplió su campo de aplicación. La máquina de absorción ejerció una clara hegemonía sobre las otras máquinas de refrigeración durante un periodo que alcanza hasta 1875 aproximadamente, y eso a pesar de que el diseño, cálculo y uso de esta máquina eran más complejos que en la de compresión.
De hecho los cálculos y funcionamientos de la máquina eran en esa época en su mayor parte empíricos, y su conocimiento teórico empezará mucho más tarde con los trabajos de E. Altenkirch, autor también de la teoría de la refrigeración termoeléctrica en
Cuando aparecieron otros refrigerantes distintos de los éteres y más tarde los motores eléctricos, la máquina de absorción tuvo que ceder el primer puesto a la de compresión. Sin embargo, no desapareció y todavía en 1919, de 55 factorías de frío existente en Florida 44 estaban equipadas con máquinas de absorción, y como se ha dicho, en la industria petrolífera, con disponibilidad de calor residual, ha permanecido.
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Hacia 1930, la absorción volvió a tomar nuevo empuje, especialmente debido a los suecos Carl Munters y Baltazar von Platen que basándose en la ley de Dalton de las presiones parciales y utilizando hidrógeno, consiguieron a principios de los años 20, cuando todavía eran alumnos del Real Instituto de Tecnología de Estocolmo, eliminar la bomba del sistema y dar con ello impulso al refrigerador doméstico por absorción que tuvo una gran difusión y una particular aplicación en las zonas rurales sin electricidad ni gas ciudad, y últimamente para aprovechamiento de energía térmica de bajo nivel e, incluso, energía solar, con la utilización de la solución de bromuro de litio sustituyendo a la de amoniaco, introducida hacía 1940.
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La refrigeración industrial a menudo es confundida con la refrigeración comercial, porque la división entre estas dos áreas no esta claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y, la característica que las distingue es que se requiere un empleado para su servicio, (fig. 3), que por lo general es un ingeniero. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes plantas empacadoras de alimentos, cervecerías, lecherías y plantas industriales, tales como refinerías de petróleo, plantas químicas, plantas huleras, etc.
Fig. 3 Equipos de refrigeración para fines industriales.
1.2.4. MARINA.
La refrigeración marina se refiere a la realizada abordo de embarcaciones de transporte y cargamento sujeto a deterioros así como refrigeración de los almacenes del barco. (fig. 4).
Fig. 4 Construcciones frigoríficas marinas.
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El aire acondicionado es la técnica para controlar los factores que afectan las condiciones físicas y químicas de la atmósfera dentro de cualquier espacio destinado a ocuparse por personas para su comodidad o bien para realizar procesos industriales. Los sistemas de refrigeración son parte fundamental en los proyectos de acondicionar espacios con aire frió.
La finalidad de la refrigeración moderna es muy variable y va desde conservar un producto, hasta llegar a un proceso. Estos procesos se clasifican en grupos que son:
1.3.1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO.
Los sistemas de enfriamiento operan normalmente con temperaturas que van desde + 15 °C a +2°C (59°F a 35.6°F). Aun cuando en algunos casos existen una distribución de temperatura hasta los 0°C (32°F), en este proceso nunca se presenta un cambio de estado en la sustancia que maneja y solamente se elimina calor sensible.
Su aplicación es muy amplia y se utiliza en productos que requieren conservación y la temperatura en que se encuentran son solo para efectos de gusto.
Como ejemplo tenemos:
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Fig. 7 Túnel de Congelación para 20000 Lbs que opera con un compresor de tornillo y refrigerante zamoníaco.
1.3.4. SISTEMA DE CRIOGENICO.
Es un proceso que opera desde -40°C (-40°F) a valores cercanos al cero absoluto. Esto implica el cambio de estado físico en la sustancia si esta se encuentra en forma liquida o agua. Su aplicación es muy fuerte en el área industrial y de investigación, también desarrollándose en áreas comerciales. Este proceso trata de la preservación de los productos alimentación en sus características o codician muy crítica.
Si tomamos un líquido refrigerante, lo confinamos a un recipiente y lo colocamos este cerca de un objeto caliente, el líquido absorbe calor de objeto, el líquido absorbe calor del objeto de mayor temperatura. Si el líquido refrigerante absorbe suficiente calor, entrará en ebullición y vaporizará.
Si el gas refrigerante vaporizado esta lo bastante comprimido, entregará el calor que absorbió del objeto caliente y se condensará en el fondo del recipiente en forma de líquido. Este proceso de vaporización y condensación sucesivas de un refrigerante se denomina ciclo de refrigeración.
Cuando el ciclo se cumple en forma continúa gracias al empleo de maquinaria, se denomina refrigeración mecánica.
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Los componentes básicos necesarios para establecer un sistema de refrigeración mecánica son:
Para entender como se unen los componentes para formar un ciclo de refrigeración, empezaremos describiendo el funcionamiento del evaporador. Primero tenemos un tubo que está parcialmente lleno con líquido refrigerante. Cuando el tubo se coloca cerca del objeto caliente que se desea enfriar y el calor se traslada del objeto caliente hacia el tubo frío.
El calor absorbido por el líquido refrigerante en el tubo, provoca que este líquido hierva primero y se vaporice luego, debido a su trabajo puno de ebullición. El tubo en el cual se produce la ebullición se denomina evaporador, puesto que la ebullición produce una forma de evaporación.
El refrigerante otra vez en estado líquido, se acumula en la porción inferior del condensador, donde queda disponible para otro ciclo de enfriamiento. El condensador no puede estar del todo bloqueado, puesto que la presión sería excesiva y no habría forma de que el refrigerante retornara al evaporador.
En consecuencia, debe establecer un método para obtener la cantidad correcta de presión que permitía la recirculación del refrigerante. La forma más simple de lograrlo es utilizando otro tubo.
Las leyes de la física establecen que cuanto más pequeño sea el diámetro de un cilindro y mayor su longitud, más grande será la resistencia que ofrezca a la circulación de cualquier fluido que pase por él.
Entonces, mediante una juiciosa de su diámetro y longitud, un cilindro o tubo puede servir tanto para regular la presión, como para transportar el refrigerante. Para las modernas y compactas unidades acondicionadoras de aire, el tubo deberá ser demasiado largo, por consiguiente, se le da la forma de una bobina, obteniéndose así una longitud conveniente y tamaño reducido. Tal dispositivo se conoce como tubo capilar.
Veamos ahora una vez más al ciclo de refrigeración, tal como se representa en la siguiente figura 8: