Propiedades Termodinámicas
Son aquellas que tienen relación con el movimiento del calor.
Estas propiedades se publican para cada refrigerante en forma de tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de Saturación de Líquido y Vapor, y Propiedades del Vapor Sobrecalentado. Las primeras se dan comúnmente a intervalos de temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presión, como de temperatura.
Estas tablas son elaboradas por los fabricantes de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o boletines técnicos. Las de mayor aplicación para resolver problemas de cálculos y diseño de equipos, son las tablas de propiedades termodinámicas de saturación.
Propiedades de Saturación. En la tabla 12.12, se muestra parcialmente las propiedades de saturación para el R-22. La primer columna es la temperatura en grados centígrados. Las siguientes dos columnas, son presiones absoluta y manométrica en kPa (o en psig). Las dos columnas siguientes son los valores del volumen, uno es la cantidad de litros que ocupa un kilogramo de refrigerante líquido, el otro, es la cantidad de m³ de vapor saturado de refrigerante que se necesita para hacer un kilogramo.
Enseguida del volumen están las columnas de los valores de la densidad, estas son los kilogramos de refrigerante líquido en un litro y los kilogramos de vapor de refrigerante saturado en un m³. Estos valores son los recíprocos de los valores del volumen.
Después, hay tres columnas del contenido de calor; la primera es el calor del líquido arriba de -40°C, la segunda es el calor latente, y la tercera es el calor total.
Las últimas dos columnas son de la entropía en fase líquida y en fase vapor del refrigerante.
A continuación, se describirán cada una de estas propiedades, aunque no necesariamente en ese mismo orden.
1. Presión
Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador, deben ser superiores a la presión atmosférica. Si la presión en el evaporador es negativa, es decir, que se esté trabajando en vacío, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible, pero ligeramente superior a la presión atmosférica.
Por otra parte, la presión de condensación debe ser lo suficientemente baja, ya que esto determina la robustez del compresor y del condensador. Mientras más alta sea la presión, se requiere un equipo más robusto, y por lo tanto, más caro.
La tabla 12.4, nos muestra las presiones de operación para los refrigerantes seleccionados, a las condiciones fijadas de temperaturas.
Un ejemplo claro de alta presión de condensación es el R-170, para el cual se requiere un equipo extremadamente robusto para soportar presiones arriba de 4660 kPa (660 psig). Los refrigerante R-30 y R-123, trabajarían en vacío en el evaporador a esta temperatura.
El R-134a trabaja a presiones más próximas a lo ideal, ya que su presión de evaporación es muy baja, sin llegar al vacío, y su presión de condensación no es tan alta, por lo que no requiere un equipo muy robusto.
2. Temperatura
Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que deben ser consideradas al hacer la selección. Estas son: la de ebullición, la crítica y la de congelación.
La temperatura de ebullición de un refrigerante, siempre es referida a la presión atmosférica normal de 101.3 kPa (0 psig). Se puede decir, que el punto de ebullición de cualquier líquido, es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la atmosférica.
El punto de ebullición de un refrigerante debe ser bajo, para que aún operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el evaporador.
En la tabla 12.5, se muestran las temperaturas de ebullición de los refrigerantes escogidos para efectos de comparación. Obsérvese que el R-170 (etano), tiene la temperatura de ebullición más baja, -88.6°C y el R-718 (agua) tiene la más alta (100°C).
Como ya se sabe, existe una relación directa entre la temperatura de ebullición y la presión; es decir, el punto de ebullición se modifica al cambiar la presión. Si se selecciona una presión conocida, se llega a una temperatura deseada. Qué presión seleccionar, es lo que provoca que surjan muchos argumentos entre los diseñadores de evaporadores y compresores. Para que opere eficientemente un compresor (pero no necesariamente el sistema completo), es deseable tener en el evaporador la presión más alta posible. Para los diseñadores de evaporadores, lo más deseable es que operen a la presión más baja posible, para aprovechar al máximo la unidad con un mínimo de tamaño y costo. Así que, para ambos, la presión adecuada para la ebullición del refrigerante, es un punto en el cual es necesario transigir. Si el evaporador es muy grande, la temperatura estará arriba de la normal; si el evaporador es muy pequeño, la temperatura estará abajo de la normal.
El evaporador debe tener una temperatura más baja, que la que se desea tener en el espacio refrigerado (se necesita una diferencia de temperaturas para que exista el flujo de calor).
Normalmente, cuando el sistema está en operación, la temperatura de ebullición del refrigerante líquido dentro del evaporador, es aproximadamente 6°C más baja que la temperatura del evaporador. En los ciclos de paro, el refrigerante y el evaporador igualarán sus temperaturas. Como una guía práctica, a continuación en la tabla 12.6, se dan algunas temperaturas de ebullición para varias aplicaciones:
Otra temperatura a considerar cuando se selecciona un refrigerante, es la temperatura crítica, sobre todo para el diseño del condensador, ya que ningún vapor se condensa a una temperatura mayor de la crítica, aunque la presión sea muy grande. En el caso de condensadores enfriados por aire, es conveniente que el refrigerante tenga una temperatura crítica mayor de 55°C. Como se puede ver en la tabla 12.5, todos los refrigerantes tienen temperaturas críticas arriba de 70°C, a excepción del R-170 (etano), que es de 32.3°C; por lo que, éste refrigerante no puede utilizarse en condensadores enfriados por aire, ya que la temperatura de condensación estaría siempre por arriba de la crítica.
Por otra parte, la temperatura de congelación de un refrigerante, debe ser más baja que la temperatura del evaporador. No se puede utilizar un refrigerante que se congele a la temperatura de trabajo del evaporador. Aunque esto no representa un problema, ya que la mayo- ría de los refrigerantes tienen temperaturas de congela- ción muy bajas, como se puede observar en la figura 12.5. La excepción es el R-718 (agua), la cual nunca se utiliza en el mecanismo de un ciclo de refrigeración por compresión.
