» Diferencia de temperatura en sistemas de refrigeración y aire acondicionado

12 febrero 2012
Sección: Capacitación

Para el diseño de un sistema de refrigeración y durante su funcionamiento, la diferencia de temperatura es un factor importante. Sin ella no habrá intercambio de calor en el evaporador y en el condensador.

Gabriel Gallegos Silva.

En sistemas de refrigeración, el evaporador y el condensador trabajan a distintas presiones para intercambiar calor.

Escala de temperatura para una presión de 1 atmósfera
100ºC punto de
ebullición del agua 25ºC temperatura Ambiente 0ºC punto de congelación del agua

Diferencia de temperatura es una magnitud que medimos en una escala de temperatura. No es lo mismo tener una temperatura de 25 ºC, que una diferencia de temperatura de 25 ºC, dado que se presentarán fenómenos y procesos debido a la diferencia de temperatura.

En una escala de temperatura podemos utilizar un valor numérico que represente un significado físico. Así, un valor de 0 ºC en una escala de temperatura comúnmente representa el punto de congelación del agua, determinado a una presión de 1 atmósfera. De la misma manera, 100 ºC representará el punto de ebullición del agua a 1 atmósfera.  Comúnmente, 25 ºC puede representar la temperatura ambiente.

Escala de temperatura36.5 ºC temperatura del cuerpo humano
25 ºC temperatura ambiente (aire que rodea al cuerpo humano)

Diferencia de temperatura es la distancia que separa a dos lecturas de temperatura en una misma escala; por ejemplo, la temperatura del cuerpo humano se considera 36.5 ºC; si tomamos en cuenta la temperatura ambiente, 25 ºC, ¿cuál es la distancia que existe entre estas dos lecturas de temperatura?

La respuesta es 11.5 ºC, que es una diferencia de temperatura.

No tiene el mismo significado que una sustancia tenga una temperatura de 11.5 ºC, a que se tenga una diferencia de temperatura de 11.5 ºC.

La diferencia de temperatura se representa de la siguiente manera:

dT o delta (∆) T

dT=diferencia de temperatura
∆T=diferencia de temperatura

Una diferencia de temperatura causará que haya fenómenos o procesos entre quienes participan en dicha diferencia

Criterios para favorecer la transferencia de calor
Flujo de calor: Transferencia de calor
Evaporación: Diferencia de temperatura
Condensación: Diferencia de temperatura

36.5 ºC temperatura del cuerpo humano25 ºC temperatura ambiente (aire que rodea al cuerpo humano) Dirección del flujo de calor de mayor temperatura hacia el cuerpo, materia o sustancia con menor temperatura
Diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y el ambiente: ∆T= 11.5 ºC

Para el caso que se cita, ¿qué ocurre con la temperatura del cuerpo humano y la temperatura ambiente? Un flujo de calor, cuya dirección va del cuerpo con mayor temperatura hacia el  de menor temperatura; es decir, una transferencia de calor. El cuerpo humano tiende a ceder calor, que se dirige hacia el ambiente. Una diferencia de temperatura, por lo tanto, origina un flujo de calor desde el cuerpo de mayor hacia el cuerpo de menor temperatura.

36.5 ºC temperatura del cuerpo humano de Juan 36.5 ºC temperatura del cuerpo humano de Pedro
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No hay flujo de calor porque no hay diferencia de temperatura

La diferencia de temperatura es la que promueve (o provoca) el flujo de calor. Cuando los dos cuerpos tengan la misma temperatura, es decir cuando ya no exista diferencia de temperatura, el flujo de calor cesará.

Cada cuerpo tiene su temperatura propia, pero cuando ambas son iguales no hay diferencia de temperatura, por lo que no hay transferencia de calor: ∆T= 0 ºC

 

El flujo de calor depende de la diferencia de temperatura

Diferencia de temperatura en un sistema de refrigeración
En un sistema de refrigeración, existen muchos lugares en los que el refrigerante se encuentra expuesto a diferencias de temperatura; por tanto, a fenómenos de flujo de calor o de transferencia de calor. Dos componentes importantes de intercambio de calor son el evaporador y el condensador.

El evaporador es un intercambiador de calor que trabaja en el lado de baja presión y baja temperatura. El condensador es un intercambiador de calor que trabaja en el lado de alta presión y alta temperatura.

Temperatura del producto
Dirección del flujo de calor
Temperatura del refrigerante en el evaporador

Diferencia de temperatura en el evaporador (∆Tevaporación)
En forma general, en el evaporador el intercambio de temperatura se da entre el aire que está en el lugar que se requiere enfriar y el refrigerante que circula dentro de la tubería del evaporador, para evaporadores de circulación de aire, ya sea natural (convección natural) o por ventiladores (convección forzada). Para evaporadores de placa, la transferencia de calor se lleva a cabo entre el aire del lugar y el material o producto que esté sobre la placa del evaporador; es decir, por contacto; para evaporadores de inmersión, como en enfriamiento de líquidos, entre el refrigerante y su tubería. Para los chillers, el intercambio es entre el refrigerante y el líquido por enfriar, intercambio que se da a través de las paredes de la tubería.

Es preciso recordar que la temperatura del producto será mayor que la del refrigerante que circula dentro del evaporador. Esto es para que haya flujo de calor del producto hacia el refrigerante. Dicho de otra manera: la temperatura del refrigerante deberá ser menor que la temperatura de la sustancia que queremos refrigerar. Este requisito se logra manteniendo una presión baja en el evaporador.

Diferencia de temperatura del producto y el refrigeranteΔT de referencia= 10ºC

La diferencia de temperatura que existe en un evaporador para que haya transferencia de calor depende del tipo de éste; sin embargo, un valor común que puede tomarse como referencia es 10 ºC.

Debido a que en el evaporador queremos enfriar una sustancia, un producto, material, un líquido, etc., será este material el que consideremos como temperatura mayor y como temperatura menor la del refrigerante.

De esta manera, el calor podrá fluir del producto al aire, luego a la tubería y, finalmente, al refrigerante. Comúnmente, decimos que el calor se transfiere del material (producto) al refrigerante.

10º C 

0º C

  Bebida 

refrigerante en el evaporador

ΔT evaporación = 10ºC Flujo de calor con una diferencia de temperatura

Por ejemplo, si queremos mantener una sustancia líquida, como una bebida, a 10 ºC, la temperatura del refrigerante puede ser de 0 ºC; de tal manera que se tiene una diferencia de temperatura de 10 ºC entre las sustancias consideradas.

La temperatura que el refrigerante tiene (puesto que está dentro del evaporador) se conoce como temperatura de evaporación.

Para conocer qué presión manométrica tiene el refrigerante dentro del evaporador basta con conocer el tipo de refrigerante. Con la tabla de saturación podremos determinar la presión necesaria en el evaporador, que podría ser muy cercana a la presión real de trabajo en el equipo.

Diferencia de temperatura en el condensador (∆Tcondensación)
Al igual que el evaporador, el condensador es un intercambiador de calor en donde el flujo de calor se da entre el refrigerante que circula en el interior de la tubería del condensador y el medio que permite la condensación.

El medio condensante más común para un condensador es el aire; también se utiliza el agua. Por lo tanto, la transferencia de calor se da entre el refrigerante y el aire (o agua).

Un valor común que se toma en cuenta para el condensador es una diferencia de temperatura de 20 ºC; sin embargo, los valores reales de trabajo dependen de diferentes factores, como la velocidad de circulación del refrigerante, su flujo (cantidad de refrigerante por unidad de tiempo) y el tipo de refrigerante, así como la cantidad de aire (o agua), la velocidad y, desde luego, la temperatura propia del medio condensante.

Temperatura del refrigerante en el condensadorTemperatura del medio condensante Flujo de calor desde un nivel de mayor temperatura hacia un nivel de menor temperatura
ΔT condensación = 20ºC

Para que el refrigerante pueda transferir calor al medio condensante es necesario que su temperatura esté a un nivel mayor que la temperatura del medio condensante.

Si queremos determinar la presión de condensación basta con utilizar la tabla de saturación del refrigerante considerado. De acuerdo con la temperatura, tendremos el valor de la presión manométrica correspondiente.

Es importante comprender que las diferencias de temperatura de evaporación y de condensación no son valores rigurosos que estrictamente deberán seguir todos los sistemas de refrigeración. Sólo son valores iniciales de referencia para dar una idea de los valores de temperatura y presión que pueden tomarse como puntos de partida. Los valores reales de trabajo del sistema dependen de varios factores físicos, termodinámicos… en fin, de una combinación de diferentes variables que, sumadas, regirán el desempeño y funcionamiento de los componentes del sistema y de sus presiones de trabajo.

El compresor es el principal encargado de proveer las presiones de trabajo dentro de cualquier sistema; sin embargo, la succión del compresor, las características de la válvula de expansión, tubería y otros accesorios contribuyen a definir la presión de trabajo real del evaporador. Por supuesto, todos los evaporadores y condensadores trabajan con diferencias de temperatura distintas.

Otros factores que determinan que la diferencia de temperaturas en el intercambio de calor sea distinta a los valores indicados son la limpieza o falta de ella, así como los materiales adheridos a la superficie del evaporador: polvo, suciedad, materiales extraños; inclusive las obstrucciones al flujo del aire afectan; asimismo, la posición del evaporador y la de los materiales por enfriar.

Por lo tanto, se debe procurar la libre circulación de aire para que en el evaporador se dé la mejor y mayor transferencia posible de calor entre el material por enfriar y el refrigerante. Es necesario mantener el evaporador y condensador libre de suciedad en el exterior (e interior). Se acostumbra limpiar el condensador en la parte exterior, con aire a presión, y lavarlo con agua y desincrustantes, según se requiera; pero es muy importante evitar en todo momento que se dañen otros componentes, sobre todo los eléctricos o electrónicos.

En el evaporador, a fin de mantener libre la circulación de aire, es importante (entre otros factores) estar al pendiente de los periodos de deshielo y que no haya obstáculos que impidan la libre circulación del aire de enfriamiento.

En el interior de estos intercambiadores de calor (evaporador y condensador), la buena transferencia de temperatura se lleva a cabo con un buen manejo de técnicas de carga de refrigerante, cambio de componentes (como filtro deshidratador), que no haya intromisión de agentes extraños (aire y humedad) cuando se realiza mantenimiento al abrir el sistema; cuidados en las presiones de vacío por el tipo de lubricantes, manejo de tiempos de lubricantes (exposición permisible al ambiente), uso adecuado de nitrógeno o aire seco… en fin, una serie de medidas que pueden ser factores perjudiciales para el buen desempeño del sistema de refrigeración si no se toman en cuenta.

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