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Este documento proporciona una descripción detallada de los principios de transferencia de calor, incluyendo los mecanismos de conducción, convección y radiación, así como las leyes fundamentales que los rigen. También se explican los principales componentes de los sistemas de enfriamiento, como el compresor, condensador, evaporador y los diferentes medios de transferencia de calor utilizados, como refrigerantes, aire y agua. Se detallan los tipos de sistemas de enfriamiento por aire y por líquido, así como el sistema de refrigeración por absorción. Además, se presentan los componentes y el procedimiento de un proyecto de construcción de un sistema de enfriamiento. Este documento proporciona una sólida base teórica y práctica sobre los principios y componentes clave de los sistemas de enfriamiento, lo que lo convierte en un recurso valioso para estudiantes y profesionales interesados en este campo.
Tipo: Ejercicios
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Conducción: Es la transferencia de calor a través de un material sin desplazamiento de las partículas. Ocurre por la interacción entre las moléculas adyacentes en un medio, sin intervención de corrientes de fluido. Ejemplos: Transferencia de calor a través de las paredes del evaporador o el condensador. Convección: Es la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido en movimiento (líquido o gas). Involucra tanto la conducción de calor como el movimiento del fluido. Tipos: Convección natural: Movimiento del fluido debido a diferencias de densidad. Convección forzada: Movimiento del fluido inducido por un ventilador o bomba. Ejemplos: Intercambio de calor en el evaporador y el condensador. Radiación: Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material. Flujo de calor por radiación depende de las propiedades superficiales de los cuerpos. Ejemplos: Transferencia de calor entre el condensador y el entorno, o entre el evaporador y el producto a enfriar.
La ley de Fourier es un principio fundamental que describe la conducción de calor a través de un medio sólido. Veamos su expresión matemática: La ley de Fourier establece que el flujo de calor por conducción (Q̇ ) es proporcional al gradiente de temperatura 𝑑𝑇 en la dirección del flujo de calor, es decir: 𝑑𝑥
Donde:
𝑑 𝑇 𝑑 𝑥 es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor (en K/m) (El signo negativo indica que el calor fluye de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura.) La conductividad térmica 𝑘 es una propiedad del material que indica su capacidad de conducir el calor. Los materiales con alta conductividad térmica, como los metales, permiten una mayor transferencia de calor por conducción. En los sistemas de enfriamiento, la conducción de calor se produce a través de los materiales que conforman los componentes, como las paredes de los intercambiadores de calor. La ley de Fourier es fundamental para analizar y diseñar los procesos de transferencia de calor por conducción en los sistemas de refrigeración y enfriamiento.
El ciclo de refrigeración se repite de manera continua para mantener la temperatura deseada en el espacio frío. Este proceso es fundamental en aplicaciones como refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor. Con el objetivo de mantener una temperatura baja en el espacio frío. Este ciclo se lleva a cabo mediante un sistema de refrigeración, que generalmente consta de los siguientes componentes: Compresor: Es el componente encargado de aumentar la presión y temperatura del refrigerante. Condensador: Aquí, el refrigerante a alta presión y temperatura cede calor al ambiente, pasando de estado gaseoso a líquido. Válvula de expansión: Reduce la presión del refrigerante líquido, provocando una caída de temperatura. Evaporador: El refrigerante absorbe calor del espacio que se desea enfriar, pasando de líquido a estado gaseoso.
En los sistemas de enfriamiento, el medio de transferencia de calor se refiere al fluido que se encarga de absorber y transportar el calor desde la fuente de calor hasta el lugar donde se disipa. Los principales medios de transferencia de calor utilizados en estos sistemas son: Refrigerantes: Son fluidos que circulan en un ciclo cerrado a través de los componentes del sistema de enfriamiento. Absorben calor en el evaporador y lo ceden en el condensador. Ejemplos: CFC, HCFC, HFC, HFO, amoníaco, dióxido de carbono. Aire:
El aire es el medio de transferencia de calor más común en los sistemas de enfriamiento. Se utiliza en el evaporador para absorber calor del producto o ambiente que se desea enfriar. También se emplea en el condensador para disipar el calor del refrigerante. Agua: El agua se utiliza como medio de transferencia de calor en algunos sistemas de refrigeración. Circula a través del condensador, absorbiendo el calor del refrigerante. Comúnmente se emplea en aplicaciones industriales y de climatización de edificios. Soluciones acuosas: Mezclas de agua con aditivos, como glicoles, que mejoran las propiedades térmicas. Se utilizan en sistemas de refrigeración que requieren temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. La selección del medio de transferencia de calor depende de factores como la aplicación, las temperaturas de operación, la eficiencia energética, los aspectos ambientales y los costos. Es importante considerar las propiedades termodinámicas y de transferencia de calor de estos medios para optimizar el diseño y el funcionamiento del sistema de enfriamiento.
En los sistemas de enfriamiento, los disipadores de calor son los componentes encargados de disipar o transferir el calor extraído de la fuente de calor hacia el ambiente o un medio de enfriamiento. Algunos de los principales disipadores de calor utilizados son: Radiadores:
El sistema de circulación en un sistema de enfriamiento es el encargado de mover y transportar los fluidos a través de los diferentes componentes. Los principales elementos que conforman el sistema de circulación son: Bombas: Dispositivos mecánicos que generan el flujo y la presión necesarios para la circulación de los fluidos. Pueden ser bombas centrífugas, de desplazamiento positivo, de engranajes, entre otras. Se utilizan para impulsar el refrigerante a través del ciclo de refrigeración, así como para hacer circular el agua u otros fluidos de enfriamiento. Tuberías y Conductos: Permiten el transporte y la distribución de los fluidos en el sistema de enfriamiento. Pueden ser de materiales como cobre, aluminio, acero inoxidable, PVC, entre otros. Deben estar diseñados para soportar las presiones y temperaturas del sistema. Incluyen accesorios como codos, uniones, válvulas y conexiones. Sistemas de Control de Flujo: Válvulas de expansión, reguladoras de presión y válvulas de control. Permiten regular y controlar el flujo de refrigerante y otros fluidos. Aseguran el correcto funcionamiento y eficiencia del sistema de enfriamiento. Tanques y Depósitos: Recipientes que almacenan y contienen los fluidos del sistema. Pueden ser tanques de refrigerante, tanques de agua de enfriamiento, entre otros. Otros Componentes: Separadores de líquido y aceite.
Filtros y secadores para mantener la calidad de los fluidos. Instrumentos de medición y control, como manómetros y termómetros. Todos estos elementos del sistema de circulación deben estar diseñados y seleccionados adecuadamente para asegurar un flujo eficiente y confiable de los fluidos en el sistema de enfriamiento.
Los sistemas de enfriamiento por aire son aquellos que utilizan el aire como el principal medio de transferencia de calor. Estos sistemas se pueden clasificar en dos tipos principales: Sistemas de Enfriamiento por Aire Forzado: Cuentan con ventiladores o sopladores que hacen circular el aire a través del sistema y el flujo de aire forzado mejora la transferencia de calor por convección. Sistemas de Enfriamiento por Convección Natural: La circulación del aire se produce de forma natural, sin la ayuda de ventiladores; se basa en la convección natural, donde el aire caliente asciende y es reemplazado por aire fresco.
El sistema de aire acondicionado por líquido, también conocido como un sistema de agua refrigerada, utiliza un fluido refrigerante como medio de transferencia de calor del aire exterior; los principales componentes son: Unidad condensadora: contiene el compresor, el condensador y el tanque refrigerante. Unidad interior: contiene el evaporador, que absorbe el calor del aire interior y lo transfiere al refrigerante líquido que circula los conductos.
Primeramente, se hizo los dobleces de las tuberías de aluminio, después se miden las mangueras para insertarlas en las tuberías y embonarlas en las puntas de las bombas a los extremos de las tuberías. Se sellan con silicón para hermetizar y no exista una fuga, después se soldán los componentes electrónicos (bomba centrífuga, motor de dron, adaptador de pila). Por último, se carga de gas butílico con una aguja de jeringa adaptándolo a un encendedor perforando la manguera de succión ya que está cargada la tubería se hermetiza con un poco de pegamento líquido.
En resumen, el ciclo de refrigeración es un proceso fundamental para mantener bajas temperaturas en diferentes aplicaciones, como refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor. Este ciclo se basa en la transferencia de calor de un espacio frío a uno más caliente, utilizando los principales componentes como el compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. El funcionamiento cíclico de estos elementos permite absorber calor del espacio que se desea enfriar y liberarlo al ambiente exterior, manteniendo así la temperatura deseada en el interior. Este proceso termodinámico es esencial para proporcionar refrigeración y climatización en una amplia variedad de sistemas y equipos, brindando bienestar y confort en diferentes entornos. La comprensión del ciclo de refrigeración y sus componentes clave es fundamental para el diseño, instalación y mantenimiento adecuado de estos sistemas, asegurando su eficiencia y un funcionamiento óptimo a lo largo del tiempo.
