Comprender lo que significa una tonelada de enfriamiento

DERRITIENDO: El calor latente de fusión del hielo es de 144 Btu/libra, lo que significa que se absorben 144 Btu por cada libra de hielo que se derrite en agua. (Foto personal).

Los técnicos de servicio a menudo confunden la potencia del motor (hp) con toneladas de refrigeración. Un concepto erróneo común es que 1 tonelada de refrigeración equivale a 1 hp. Esta afirmación solo es cierta en algunas de las aplicaciones de temperatura más alta, como el aire acondicionado. De hecho, en las aplicaciones de refrigeración de media y baja temperatura, 1 hp casi nunca equivale a 1 tonelada de refrigeración.

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Una tonelada de refrigeración es una tasa de transferencia de calor, no una cantidad de calor. Una tonelada es igual al calor absorbido al derretir 2000 libras (1 tonelada) de hielo a 32°F en 24 horas (1 día). Esto equivale a 12 000 Btu/hr o 12 000 Btuh. Btu/hr y Btuh a menudo se usan indistintamente y significan lo mismo: 12,000 Btuh también equivalen a 200 Btu/min ya que hay 60 minutos en 1 hora. La siguiente fórmula matemática demuestra cómo 1 tonelada de refrigeración equivale a 12 000 Btuh.

(2000 lb de hielo) x (144 Btu/lb) ÷ (24 horas) = ​​12 000 Btuhso, 1 tonelada de enfriamiento = 12 000 Btuh o 200 Btu/min

Nota: El calor latente de fusión del hielo es de 144 Btu/lb, lo que significa que se absorben 144 Btu por cada libra de hielo que se derrite en agua.

Cuando el equipo de refrigeración o aire acondicionado está clasificado para 1 tonelada de enfriamiento, significa que el equipo debe eliminar el calor a una tasa de 12 000 Btuh. Sin embargo, un equipo que esté removiendo 12,000 Btu en 30 minutos tendría una capacidad de 2 toneladas. Si el equipo de enfriamiento está eliminando 12 000 Btu en 4 horas, su capacidad es de solo ¼ de tonelada. Observe que, en los tres escenarios, se eliminan 12 000 Btu de energía térmica; sin embargo, la tasa de tiempo o la rapidez con que estos sistemas eliminaron los 12,000 Btu determinaron la capacidad del sistema en toneladas.

Hay variables en cada tipo de sistema que determinarán la capacidad de ese sistema.

Presión del evaporador: Una presión más alta en el evaporador significaría que el volumen del cilindro del compresor también está experimentando una presión más alta. Esto significa que los cilindros experimentan un vapor más denso en cada carrera descendente. Este vapor de mayor densidad dentro de los cilindros del compresor aumenta la tasa de flujo másico de vapor refrigerante a través del compresor y, por lo tanto, aumenta la capacidad.

Cada vez que llena un volumen fijo (cilindro del compresor) con una presión más alta, habrá más moléculas de gas refrigerante, lo que provocará una mayor densidad del refrigerante. El caudal másico de refrigerante a través del compresor es el producto del desplazamiento del pistón y la densidad del refrigerante que llena el cilindro. Las unidades para el caudal másico están en libras/minuto:

Caudal másico = (desplazamiento del pistón) x (densidad del refrigerante) libras/minuto = pies cúbicos/minuto libras/pies cúbicos

Eficiencia volumétrica: A medida que aumenta la presión del evaporador, disminuye la relación de compresión, lo que a su vez aumentará la eficiencia volumétrica de los cilindros del compresor. Las presiones del sistema del lado alto y bajo se pueden expresar como una relación llamada relación de compresión. La relación de compresión se define como la presión de descarga absoluta dividida por la presión de succión absoluta:

Relación de compresión = Presión de descarga absoluta ÷ Presión de succión absoluta

La mayoría de los técnicos de servicio se dan cuenta de que sus manómetros de servicio marcan cero cuando no están conectados a un sistema, aunque hay una presión de aproximadamente 15 psi en los manómetros ejercida por la presión atmosférica. Eso es porque estos indicadores están calibrados para leer cero a presión atmosférica. Por lo tanto, para utilizar la presión de descarga y succión verdadera o absoluta a una presión manométrica de cero o superior, un técnico debe agregar 14,696 psi, o aproximadamente 15 psi, a la lectura del manómetro.

Cuando se hace referencia a la presión absoluta, psia se usa para etiquetar la magnitud de la presión, y psig etiqueta la magnitud de la presión cuando se refiere a la presión manométrica. Una relación de compresión de 6 a 1 se expresa como 6:1 y simplemente significa que la presión de descarga es seis veces la magnitud de la presión de succión.

Una alta eficiencia volumétrica significa que una mayor parte del volumen del cilindro del pistón se llena con refrigerante nuevo de la línea de succión y no con gases de volumen de espacio libre reexpandidos. Cuanto mayor sea la eficiencia volumétrica, mayor será la cantidad de refrigerante nuevo que se introducirá en el cilindro en cada carrera descendente del pistón y, por lo tanto, circulará más refrigerante en cada revolución del cigüeñal. El sistema ahora tendrá una mejor capacidad y una mayor eficiencia. Además, cuanto mayor sea la presión de succión, menor será la reexpansión de los gases de descarga, debido a que los gases de descarga experimentarán una menor reexpansión a la mayor presión de succión y la válvula de succión se abrirá antes.

Presión de descarga: Cuanto menor sea la presión de descarga, menor será la reexpansión de los gases de descarga en el volumen libre del cilindro para llegar a la presión de succión. La cantidad del desplazamiento del pistón que se llena con nuevos vapores de refrigerante depende de las presiones del sistema y el diseño de la válvula. Un técnico de servicio puede controlar, hasta cierto punto, qué tan alta o baja será la presión de descarga y succión. Si las presiones de descarga (condensación) pueden mantenerse bajas y la presión de succión (evaporación) puede mantenerse lo más alta posible sin afectar la temperatura del producto refrigerado, la relación de compresión será baja y la eficiencia volumétrica será alta. Esto hará que fluya una mayor tasa de flujo másico de refrigerante a través del compresor y aumente la capacidad del sistema.

Sobrecalentamiento del compresor: Al tomar la temperatura de la línea de succión que ingresa al compresor y la presión de succión en ese punto y convertirla a una temperatura de saturación, la diferencia entre las dos es el sobrecalentamiento del compresor. Cuanto mayor sea el sobrecalentamiento del compresor, más calientes entrarán los gases refrigerantes en el compresor. Esto provocará una menor densidad del refrigerante y un menor caudal másico de refrigerante a través del compresor. El técnico de servicio puede asegurarse de que el compresor no tenga demasiado sobrecalentamiento del compresor.

Hay un cambio aproximado del 1 % en la capacidad por cada 10 °F de cambio total de sobrecalentamiento. A medida que aumenta el sobrecalentamiento total, la capacidad disminuye. Esta regla empírica debe usarse solo con fines de servicio y no con fines de diseño. Otros factores que afectan la cantidad de sobrecalentamiento del compresor que ve son la longitud y el aislamiento de las líneas de succión, la temperatura ambiente o circundante a la que está expuesta la línea de succión y los intercambiadores de calor de líquido/línea de succión presentes. Siempre consulte con el fabricante del compresor para averiguar cuál es la temperatura ideal del gas de retorno del compresor o cuál es la temperatura máxima del gas de retorno permitida para su aplicación de compresor.

Subenfriamiento: Cuanto más subenfriado esté el refrigerante antes de entrar en el evaporador, más capacidad de refrigeración tendrá el sistema. Este fenómeno ocurre porque el líquido más frío que ingresa al evaporador no tiene que evaporarse tanto para enfriarse hasta la temperatura de evaporación asociada a la presión del evaporador. Cuanto menos parpadeo, más efecto de refrigeración neto (NRE) habrá en el evaporador. Hay aproximadamente un cambio de medio por ciento en la capacidad por cada 1°F de cambio de subenfriamiento líquido. A medida que aumenta el subenfriamiento, aumenta la capacidad. Esta regla empírica debe usarse solo con fines de servicio y no con fines de diseño.

En conclusión, mantener el gas de retorno de refrigerante al compresor lo más denso posible aumentará la capacidad del sistema. Además, mantener las presiones de succión lo más altas posible sin sacrificar la temperatura del producto y mantener la presión de cabeza lo más baja posible también aumentará la capacidad del sistema. Además, cuanto más líquido subenfriado entre en el evaporador, mayor será la capacidad del sistema.

John Tomczyk es profesor emérito de HVACR, Ferris State University, Big Rapids, Michigan, y coautor de Refrigeration & Air Conditioning Technology, publicado por Cengage Learning. Póngase en contacto con él en [email protected].