Curvas de Presión - Temperatura
Sabemos que el agua hierve a 100°C en un recipiente abierto, a la presión atmosférica normal de 101.3 kPa (14.7 psia). En un recipiente cerrado, donde se puede controlar la presión, se puede cambiar el punto de ebullición. Si se incrementa la presión en el recipiente, también se incrementa el punto de ebullición. Si se disminuye la presión, se disminuye también la temperatura de ebullición del agua. Este mismo principio se aplica a todos los líquidos.
El trabajo de refrigeración se tiene que tratar con refrigerantes en sistemas cerrados, a presiones variables. Si se controlan estas presiones, se controlan las temperaturas del refrigerante en diferentes puntos del sistema. Por lo tanto, se puede lograr que hierva el refrigerante a baja temperatura en un punto (disminuyendo su presión), y que después, se condense a alta temperatura en otro punto (aumentando su presión). Para cualquier líquido, la temperatura a la que se lleva a cabo la ebullición, se conoce como "temperatura de saturación", y su presión correspondiente, se conoce como "presión de saturación".
Las relaciones de presión y temperatura, se pueden graficar en escalas normales o en escalas logarítmicas. Estas últimas proporcionan una lectura con razonable precisión, tanto en bajas como a altas presiones.
En la figura 12.7, se muestra una gráfica de presión temperatura para el R-134a, y en la figura 12.8, se muestran las gráficas de presión y temperatura para varios refrigerantes comunes.
Estas gráficas son muy valiosas, para dar una imagen global de las relaciones de presión y temperatura de saturación, pero dependiendo del tamaño de la escala, va a ser la precisión de la lectura de los valores. Por lo tanto, algunas veces, estos valores se dan en forma de tabla, las cuales pueden dar presiones cada grado o cada 2 grados centígrados para las temperaturas de evaporación comu- nes. También, para temperaturas de evaporación menos comunes o temperaturas de condensación, se dan presio- nes cada 5°C.
En la escala vertical se tiene la presión en kilo pascales (o en psig), y en la escala horizontal se tiene la temperatura en grados centígrados (o en grados Fahrenheit). Cualquier punto sobre la curva, representa el punto de ebullición del refrigerante. Cada punto también se puede llamar "punto de condensación". La razón es que, cualquier mezcla de líquido y vapor a la temperatura y presión de saturación, puede estar en cualquiera de las tres etapas: ebullición, condensación o equilibrio. Depende de la transferencia de calor que se esté llevando a cabo. Si se agrega calor, el líquido hierve; si se quita calor, el vapor se condensa y si no se agrega ni se quita calor, la mezcla permanece en equilibrio. Para encontrar la presión del refrigerante a una temperatura determinada, se lee verticalmente desde el valor de dicha temperatura, hasta tocar la curva; y luego, se mueve horizontalmente, hasta la escala de presión, donde se leerá la presión de saturación a esa temperatura.
Por ejemplo, la presión de vapor del R-507 a una temperatura de 10°C (50°F), es de 8.4 bar (107 psig). La temperatura es siempre la temperatura del refrigerante. La misma curva puede utilizarse para determinar presiones y temperaturas, tanto de evaporación como de condensación. Al utilizar estas gráficas, es necesario tener presente varias cosas:
1. La temperatura del refrigerante en el evaporador, es aproximadamente de 4 a 7°C más fría, que la del evaporador cuando está trabajando el compresor.
2. Cuando el compresor no está trabajando, la temperatura del refrigerante en el evaporador, es la misma que la del evaporador.
3. La temperatura del refrigerante en un condensador enfriado por aire, está entre 17 y 19°C más caliente que la temperatura ambiente.
4. La temperatura del refrigerante en un condensador enfriado por agua, es aproximadamente 10°C más caliente que el agua de la salida.
5. La temperatura del refrigerante en el condensador, será aproximadamente la misma que el medio de enfriamiento, después que la unidad haya sido apagada por 15 a 30 minutos.
En la tabla 12.9, se muestran las relaciones entre las presiones en kilo pascales (kPa) y libras por pulgada cuadrada manométrica (psig), y las temperaturas en °C para los diferentes refrigerantes seleccionados para comparación. Los valores de la presión en el área sombreada, indican pulgadas de mercurio abajo de la presión atmosférica normal.
Las tablas de presión temperatura como la 12.9, son muy valiosas en lo que se refiere a los puntos de saturación, pero tienen sus limitaciones. Un líquido apartado de su vapor puede enfriarse abajo de su temperatura de saturación; tal líquido se denomina "sub-enfriado". Un vapor apartado de su líquido puede calentarse arriba de su temperatura de saturación; tal vapor denomina "sobrecalentado". Así, el agua a la presión atmosférica está subenfriada, si se encuentra a menos de 100°C, y está saturada, si está a 100°C. El vapor estaría saturado si se encuentra a 100°C, pero si se separa del agua y se calienta, se elevará su temperatura para formar vapor sobrecalentado.
Un líquido no puede sobrecalentarse, pues herviría; y un vapor no puede sub-enfriarse, ya que se condensaría.
Estas correspondencias de presión-temperatura de saturación, sólo son válidas cuando el líquido y el vapor están en contacto uno con otro. Esta condición existe en el evaporador y en el condensador. También existe en tanques de refrigerante que no están totalmente llenos de líquido. El vapor está, entonces, sobre el líquido.
El refrigerante líquido en el tanque recibidor o en la línea de líquido, puede o no estar sub-enfriado. El vapor de succión que entra al compresor debe estar sobrecalentado; esto es, más caliente que en el evaporador. La temperatura del gas en la descarga del compresor, está sobrecalentada, es decir, más caliente que la temperatura de condensación.
3. Volumen
Cuando se comparan densidades de gases, es común expresarlas en volumen específico. El volumen específico de un refrigerante en fase vapor, no es otra cosa, que el volumen en metros cúbicos (m³) o en litros (l) que ocupará un kilogramo de refrigerante a condiciones normales; esto es, a una temperatura de 20°C y a la presión atmosférica de 101.3 kPa. (14.7 psia).
En la figura 12.10, se muestran los volúmenes específicos en las fases líquida y vapor, para los diferentes refrigerantes seleccionados, a una temperatura de -15°C (5°F). El R-718 (agua) está considerada a una temperatura de 4°C, ya que a la temperatura de -15°C estaría congelado.
En un sistema de refrigeración, al agregar calor al refrigerante, aumenta su temperatura y su volumen específico, pero su presión permanece constante; ya que, en el evaporador, en la línea de succión y en el condensador, la temperatura de saturación es lo que controla la presión del vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del refrigerante, disminuye su volumen específico.
Como puede observarse en la figura 12.10, el volumen específico en fase líquida del R-718 (agua) es 1.0 l/kg, esto significa que un kilogramo de agua líquida ocupa un volumen de un litro. Por esta razón, el agua es el líquido que se usa como referencia para comparación con otros líquidos.
A excepción del R-170 y del R-717, los demás refrigerantes tienen un volumen específico en fase líquida menor a 1.0 l/kg; aunque este valor no tiene gran importancia. El valor que es de más utilidad en trabajos de refrigeración, es el volumen específico en fase vapor. Este valor, no es otra cosa, que el volumen en litros ( o en metros cúbicos ) que ocupa un kilogramo de refrigerante al pasar de líquido a vapor. Obviamente como es de esperarse, este valor debe ser lo más bajo posible, ya que de este valor dependerá el desplazamiento volumétrico del compresor.
Observando los valores de volumen específico en fase vapor de la figura 12.10, vemos que el R-30 y el R-123 tienen valores muy altos, por lo que estos refrigerantes no se recomienda usarlos con compresores reciprocantes, ya que se requerirá un compresor con gran desplazamiento volumétrico, debido a la gran cantidad de vapor que producen al evaporarse. Un kilogramo de R-30, cuando pasa de líquido a vapor a -15°C, de ocupar un volumen de aproximadamente 3/4 de litro, en fase líquida, su vapor tendría un volumen de 3,115 litros (3.115 m³). Por esta razón generalmente los refrigerantes con alto valor de volumen específico en fase vapor, se utilizan con compresores centrífugos, los cuales manejan grandes cantidades de vapor de refrigerante.
Por otra parte, un kg de R-22 en las mismas condiciones, al evaporarse, ocupa un volumen de 77.6 litros, que es aproximadamente 40 veces menos que el R-30. Puede observarse también, que las variaciones de los volúmenes específicos de los refrigerantes en estado líquido, son muy pequeñas, comparándolas con las correspondientes en el estado de vapor.
4. Entalpia
Es la propiedad que representa la cantidad total de energía térmica o contenido de calor, en un fluido. Sus unidades son kcal/kg. Para la mayoría de los refrigerantes, se considera que su entalpia es cero a una temperatura de saturación de -40°C. Entonces, el calor agregado o sustraído de un refrigerante, desde ese punto, se considera que es su entalpia total. En la mayoría de los trabajos de transferencia de calor, se manejan los cambios de entalpia que ocurren durante un proceso. Generalmente, no hay necesidad de conocer el contenido de energía absoluta.
En la tabla 12.11, se muestran los valores de entalpia de varios refrigerantes, a una temperatura de -15°C, excepto el R-718, que está a 5°C. Estas temperaturas se seleccionaron arbitrariamente, para efectos de comparación. Para cada refrigerante se muestran los valores de entalpia en la fase líquida (hf), el calor latente (hfg) y la entalpia en la fase vapor (hg).
Entalpia del Líquido Saturado (hf). Este valor es la cantidad de kilocalorías por cada kilogramo de refrigerante líquido saturado; esto es, el líquido que se encuentra a su temperatura de saturación, como las que se muestran en la figura 12.9.
Este contenido de calor del líquido, es calor sensible basado en la suposición de que el líquido saturado a - 40°C, no tiene calor sensible. Esto no es cierto, ya que aún a -75°C, el líquido contiene algo de calor.
Para que esto sea verdad, los valores de entalpia en fase líquida, tendrían que basarse en el cero absoluto de temperatura. Sin embargo, esto no es necesario, ya que sólo interesa el cambio de entalpia; esto es, la cantidad de calor que se requiere para calentar o enfriar un kilogramo de líquido, de una temperatura de saturación a otra. El hecho de que se haya seleccionado la temperatura de -40°C, como referencia para darle a la entalpia el valor de cero, fue por conveniencia.
En la tabla 12.12, se muestran las entalpias para el líquido a varias temperaturas de saturación para el R-22. Para las temperaturas menores de -40°C, los valores de la entalpia son negativos, y se indican con el signo "menos". Esto parecería significar que el líquido saturado de R-22 a -60°C, por ejemplo, tendría 4.93 kcal menos que nada, lo cual, por supuesto, es imposible. El signo "menos", signi- fica meramente que a -60°C el líquido saturado de R-22, tiene un contenido de calor de 4.93 kcal/kg menos, que el que tendría a -40°C.
Inversamente, para elevar la temperatura de saturación de un kg de R-22 líquido de -40°C a -15°C, se requieren 6.53 - 0 = 6.53 kcal de calor sensible.
Por ejemplo, en la figura 12.11, la entalpia del R-22 líquido a -15°C es 6.53 kcal/kg, y como ya se mencionó, a -40°C es cero; pero a -60°C,su entalpia es -4.93 kcal/kg. Esto significa que para enfriar un kg del líquido saturado de R-22 de -15°C hasta -60°C, se tienen que remover 6.53 - (-4.93) = 11.46 kcal/kg. Como se puede observar, lo que importa solamente es la diferencia de entalpia, ya que ésta será siempre la misma, independientemente de que su contenido esté basado en -40°C, -100°C, -200°C o el cero absoluto.
Entalpia de Evaporación (hfg). Esta es la cantidad de calor que requiere un kilogramo de líquido, para cambiar a un kilogramo de vapor a temperatura constante. Este valor también se le conoce como "calor latente de evapo- ración".
En los sistemas de refrigeración, este cambio de estado de líquido a vapor, ocurre en el evaporador. El cambio de contenido de calor o entalpia resultante, se puede consi- derar, simplemente, como el trabajo teórico que puede realizar el refrigerante.
En la tabla 12.11, se muestran los valores de calor latente para varios refrigerantes a la temperatura de -15°C. Como se puede observar, todos los refrigerantes tienen diferen- tes valores de calor latente. Para un mismo refrigerante, el valor de calor latente varía con la temperatura, como se puede observar en la tabla 12.12. El calor latente disminu- ye al aumentar la temperatura.
Como se mencionó anteriormente, un refrigerante debe de preferencia tener un valor alto de calor latente de evaporación, ya que esto es lo que hace posible la refrige- ración. Mientras mayor sea este valor, se requerirá circular menos cantidad de refrigerante. Por ejemplo, en la tabla 12.11, comprobamos que el calor latente de evaporación del R-717 (amoníaco) es muy alto, 313.89 kcal/kg, com- parado con el calor latente de evaporación del R-502, que solamente es de 37.4 kcal/kg. Esto significa que en equipos similares y a las mismas condiciones, para produ- cir una tonelada de refrigeración, se tendrían que circular 9.63 kg/h de amoníaco, mientras que el R-502 se tendría que circular 80.85 kg/h.
El calor latente de evaporación es una propiedad muy importante de un refrigerante, pero se vuelve más impor- tante aún, cuando se convierte en "efecto de refrigera- ción". Este es el trabajo real producido por un refrigerante dentro del sistema de refrigeración. Es el calor absorbido, que da como resultado un enfriamiento útil. Puede deter- minarse conociendo la entalpia del refrigerante líquido cuando entra al evaporador, y la entalpia del vapor de refrigerante que sale del evaporador. La diferencia entre estos dos valores, es el trabajo real producido o "efecto de refrigeración".
Entalpia del Vapor Saturado (hg). Un líquido antes de hervir, tiene calor sensible. Cuando está en ebullición, adquiere además, calor latente. Entonces, el calor total del vapor saturado, debe ser igual a la suma del calor sensible del líquido, más el calor latente de evaporación. Esto se expresa de la siguiente manera:
hg = hf + hfg
En la tabla 12.11, podemos observar que la entalpia del vapor saturado, equivale a la suma de la entalpia del líquido más el calor latente. La entalpia del vapor saturado, representa el contenido total de calor del vapor saturado del refrigerante en un evaporador, antes de ser sobreca- lentado; es decir, antes de ser calentado por arriba de la temperatura del evaporador. Si en un sistema de refrige- ración la temperatura de evaporación es menor de -40°C, entonces, los valores de entalpia del líquido deberán restarse del calor latente, para poder obtener el valor del calor del vapor, ya que los valores del líquido muestran un signo "menos" (-).
Ahora es fácil entender por qué los valores de entalpia son muy útiles, al hacer cálculos de transferencia de calor. Puede verse que la entalpia incluye la absorción de ambos calores, sensible y latente. Aún más, ahora sabemos qué líquidos diferentes tienen diferentes calores específicos, y diferentes calores latentes de evaporación. También dife- rentes puntos de ebullición, así que, el uso de estos valores, ahorrarán prolongados cálculos al trabajar con cargas de transferencia de calor, utilizando refrigerantes específicos.