CLIMATIZADORES Y UNIDADES TERMINALES.

     Como ya se ha visto en la anterior publicación, la mayoría de las instalaciones de climatización de cierta envergadura se fundamenta en lo que se describió como sistema aire-agua. Viene a ser la absorción o cesión de calor  por transmisión entre el agua y el aire.

       Los equipos mas usuales para el desarrollo de las transformaciones descritas, son los climatizadores y fan-coils. En esencia, ambos ejecutan la misma función: calentar o enfriar el aire mediante agua caliente o fría, con la diferencia de que el primero tiene como misión tratar un aire en una primera fase, dando lugar a lo que se conoce como aire primario, y el segundo, da un tratamiento final a dicho aire primario.

         CLIMATIZADORES O U.T.A.S. (Unidades de Tratamiento de Aire), en sus prestaciones más básicas constan de las siguiente secciones:

• Sección de entrada (sección 1) o toma de aire exterior:  Está formada por filtros y un ventilador que impulsa el aire a través del climatizador.
• Sección de acondicionamiento de aire (sección 2): Está constituida por las baterías de calor y frío (siempre en este orden, a fin de evitar congelaciones en la batería de frío durante el invierno). En esta sección el aire es tratado para conseguir un aumento o disminución de su temperatura al contacto con la superficie exterior de las baterías. Por el interior de las mismas, circula agua fía o caliente en función de la demanda térmica del climatizador.

       Las válvulas de tres vías representadas en los circuitos de fío y calor son las   encargadas de regular la cantidad de agua que pasa por las baterías en función de la demanda térmica predeterminada en el sistema de control. Lo hace de la siguiente manera:

      En el sistema de control se fija una temperatura de consigna de impulsión de aire. Su valor vendrá dado por las condiciones de proyecto de la instalación (generalmente está en torno a los 18ºC).  Una sonda que está situada en la salida de aire del climatizador lee constantemente su valor, enviándolo al control central mediante una señal de entrada. Si este cae por debajo de la consigna establecida, en el caso de demanda de calor o por encima en caso de demanda de frío, el sistema de control envía una señal de salida al actuador situado en la cabeza de la válvula de tres vías correspondientes, accionándola de tal manera que permita la entrada de agua a la batería que corresponda para mantener constante en el valor de la consigna a la temperatura de impulsión. Una vez alcanzada la consigna, la válvula de tres vías cerrará y el agua retornará a la central de producción si cesión ni absorción alguno de calor (en teoría) .

• Sección de salida (sección 3): Lo constituye un ventilador de extracción, cuya misión es renovar el aire climatizado.

 

Imagen de un climatizador real con los siguientes accesorios:

1. Ventilador de impulsión.
2. Sonda de temperatura de impulsión.
3. Prensostato diferencial de estado de filtro..
4. Válvula de tres vías de calor.
5. Válvula de tres vías de frío.
6. Prensostato de caudal de aire.

 

Tal como se decía antes, estas las secciones descritas son las básicas o más elementales de las que dispone cualquier climatizador. Sin embargo, por exigencias de la normativa vigente actual, estos equipos, además de las secciones descritas, deben de tener las siguientes:

1. Sección de humectación por vapor. Tiene la misión de compensar la escasa humedad a la que sale el aire de la batería de calor durante el invierno, sobre todo en climas secos.
2. Sección del recuperador entálpico. Tiene por objeto, en los meses fríos, precalentar el aire de impulsión aprovechando el calor del aire de extracción.
3. Sección de recuperador adiabático. Funciona en la época veraniega. Consiste en humectar el aire interior haciéndolo pasar por unos elementos empapados de agua y así, mediante un intercambiador de calor, pre enfriar el aire exterior de manera gratuita.

 

La figura superior representa un croquis de un climatizador con todas las secciones que la normativa actual exige. En la misma puede observarse las secciones que ha de atravesar el aire exterior para su tratamiento en la parte inferior de la unidad y su interacción con el aire de retorno (parte superior de la unidad).

En esta figura se representa un climatizador con recuperador entálpico estático. Tiene un funcionamiento más sencillo que el recuperador rotativo, pero con un rendimiento notablemente menor. Razón por la que por el momento no lo tendremos en cuenta.

Hay que distinguir dos maneras de funcionamiento del recuperador  rotativo:

1. MODO INVIERNO

       Durante las épocas frías el funcionamiento de la unidad es el siguiente: cuando se acciona la unidad, se ponen en marcha los ventiladores de impulsión, retorno y recuperador entálpico (es el elemento que figura en la foto inferior. Básicamente consiste en una rueda que al girar absorbe calor del aire de retorno en la parte superior y lo cede al aire exterior en la parte inferior).

      El ventilador de impulsión hace pasar el aire por el filtro de aire exterior, luego pasa al recuperador entálpico donde se pre calienta (todo lo que caliente esta sección es energía gratuita, ya que estamos aprovechando el calor interior del edificio), luego atraviesa el ventilador, se calienta de nuevo en la batería de calor hasta alcanzar la temperatura de consignada en el sistema de control. Finalmente pasa por la sección de humectación de vapor, encargada de compensar la humedad perdida en las fases de calentamiento. El aire, ya totalmente tratado, pasa a la red de conductos de distribución de aire del edificio.

       En esta secuencia de funcionamiento el recuperador adiabático permanecerá fuera de servicio, de manera que la seección superior del climatizador, tendrá por misión extraer calor al aire de retorno y enviarlo al exterior.

2. MODO VERANO

          En esta secuencia entra en funcionamiento el recuperador adiabático con el fin de enfriar el aire de retorno haciéndolo pasar por unos matriales empapados de agua. Dicho aire, que tendrá unos grados menos y muy húmedo, tendrá capacidad para absober calor al aire de impulsión mediante la rueda entálpica. Es decir,  el aire interior enfriado absorberá calor de la rueda antes de ser expulsado al exterior, bajará la temperatura de la rueda de manera que esta extraerá calor al aire exterior a su paso por la misma. Todo lo que se pueda enfriar mediante este proceso será energía gratuita que ahorraremos para conseguir el punto de consigna solicitado por el sistema de control en la impulsión del climatizador.

CLIMATIZADORES CON FREE- COOLING:

      Este sistema se fundamenta en aprovechar el aire exterior durante la temporada estival, en las horas de temperaturas mínimas, a fin de disminuir la temperatura ambiental sin consumo energético.

El funcionamiento es el siguiente: Si la temperatura exterior es menor que la de ambiente (noches y primera hora de la mañana en verano), actúa el free-cooling cerrando la compuerta de aire situada en el interior de la UTA, abriendo las compuertas de aire exterior. De esta manera el aire exterior es conducido directamente al interior y el aire interior o de retorno se expulsa al exterior. Posteriormente, cunado la temperatura exterior esté por encima de la interior (prácticamente todo el día durante el verano), dejará de actuar el free-cooling abriendo la compuerta interior del climatizador, cerrando la las otras dos compuertas para obligar a reecircular el aire a través del climatizador.

      En resumen vemos como el free-cooling se fundamenta en aspirar aire del sitio mas fresco y así ahorrar energía.

 

UNIDADES TERMINALES

 FAN-COIL, palabra inglesa que tiene su traducción al español como ventilo-convector, pero que nadie usa; así que nos quedaremos con el anglicismo.

     Como decíamos, un fan-coil  posee los mismos elementos que un climatizador básico: filtros, ventilador, batería de frío, batería de calor y vávulas de tres o dos vías para regular el caudal de agua que ha de pasar por las baterías.

      El fan-coil representado en la figura es de techo. Se instalan entre el falso techo y forjado de la planta ( techo técnico). También hay fan-coils de suelo, muy similares a los equipos de expansión directa, donde la unidad interior se ubica en el suelo; en éstos la salida de aire no es conducida por conductos, sino que sale directamte al ambiente. El aire de entrada o primario procede de un climatizador, donde  ha sido pre calentado o pre enfriado. Al pasar por las baterías modificará la temperatura hasta tener unos valores confortables en el local a climatizar. De ello se encarga el sistema centralizado de climatización (puesto de control) actuando de la siguiente manera:

     Una sonda de temperatura o termostato ambiente ubicado en una adecuada ubicación del local a climatizar, lee la temperatura. Si está por debajo de un valor previamente consignado, enviará una señal de entrada al puesto de control «informando» de que la temperatura está muy baja y éste enviará una señal de salida al actuador (mecanismo que se encuentra en la cabeza de la válvula de tres vías) de la válvula de tres vías de calor, dejando pasar agua a la batería y estrangulando el retorno de agua por el by-pass.

    En el sector terciario o de grandes edificios, también hay otras unidades terminales de climatización, tales como cajas de recalentamiento, inductores o vigas fías. todos ellos tienen el mismo fundamento que el fan-coil, pero se diferencian en que carecen de ventilador. por ello, tienen la ventaja de se más silenciosos, aunque también pueden acarrear problemas de condensación. Tal es el caso de la vigas frías, las cuales necesitan un control centralizado específico para evitar las condesaciones.

SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN

     En los diferentes sistemas de climatización, la generación  del calor o «frío» se ubican en distinto lugar a su utilización, excepto en los equipos de expansión directa . Por ejemplo, en una comunidad de vecinos donde el sistema de calefacción es centralizado, el calor de la calefacción se suele generar en la planta baja o subsuelo del edificio, y su utilización tiene lugar en cada una de las viviendas que constituyen dicha comunidad. Si el sistema de calefacción es individual, la caldera estará ubicada en un determinado lugar y las unidades terminales o radiadores estarán distribuidos por toda la vivienda.

     En cualquier caso, en necesario trasportar la energía desde el punto donde se genera al lugar de utilización mediante un fluido caloportador. Generalmente es agua, aire o ambos.

      En base a esto, los sistemas de climatización se clasifican en:

• Sistema todo aire.-

  El fluido caloportador es aire, previamente calentado o enfriado en la unidad interior de un equipo partido (sistemas de aire acondicionado de conductos, tal como se ve en la imagen). O bien, el aire previamente tratado o aire primario procedente de un climatizador.

 

 

• Sistema todo agua.-

   El fluido caloportador es agua, previamente tratada en la central de producción. En grandes edificios, donde las unidades terminales suelen ser fan-coils, el agua se calienta con calderas y se enfría mediante plantas enfriadoras.

    En edificios de viviendas, donde solo hay instalación de calefacción, es como la representada en el figura. El fluido caloportador sigue siendo agua.

      Dentro de esta tipología se incluyen las instalaciones de suelo radiante, techos y vigas fías.

• Sistema aire-agua.-

   En este caso los fluidos caloportadores son aire y agua.

       El aire es pre calentado o pre enfriado en un climatizador (aire primario) antes de llegar a los fan-coils, donde se le calienta o enfría algo más de lo que estaba el aire primario de la misma manera que se hacía en el sistema todo agua. Generalmente son instalaciones típicas de grandes edificios.

• Sistema de expansión directa.-

     En este sistema no hay conductos de aire ni tuberías de agua para trasportar la energía.

    Las instalación más sencilla de este tipo es el típico «split». Algo más complejas son las instalaciones llamadas VRV. Básicamente constan de una unidad exterior, dotada de compresor y condensador. De esta unidad «cuelgan» varias unidades interiores, tal como se puede ver en la figura.

    En el sector terciario; es decir, el que engloba los grandes edificios (de oficinas, bancos, hoteles, hospitales, centros comerciales, etc.) suelen coexistir mas de un tipo de los sistemas descritos, o combinación de dos o mas.

SUBSISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN

       Observando la figura, vemos como la combinación del subsistema de producción con el elemento intermedio (climatizador), forman un sistema todo-agua. Por otro lado, el climatizador con los elementos terminales (fan-coils), constituyen un sistema aire-agua

     En la figura se ha representado un sistema de climatización típico de un edificio grande, donde encerradas en una nube, se compartimentan los subsistemas existentes:

1. Central de producción.– Generalmente constituido por calderas para la generación de calor y plantas enfriadoras para  la generación de agua fría. En algunos sistemas las plantas enfriadoras, refrigeradas por agua, aprovechan el agua de condensación para la calefacción del edificio, utilizándose la caldera solo como elemento de apoyo.
2. Elementos intermedios.- Lo constituyen climatizadores con el objeto de precalentar o preenfriar el aire exterior. El aire así tratado, llamado aire primario, se envía a los elementos terminales.
3. Elementos terminales.- Son aquellos que se encargan de dar el tratamiento final al aire que entra en los locales acondicionados. Pueden ser fan-coils de techo o de suelo, como el representado en la figura, o también: radiadores, inductores, vigas frías, etc.
4. Elemento de control.- En instalaciones como la descrita, el puesto central o centro de control consiste en un ordenador donde se instala el  sistema de gestión. En él se monitoriza y visualiza de forma gráfica los procesos que intervienen en el control de la instalación.Desde el puesto central se puede manejar y gobernar todas las instalaciones de climatización,se muestra información en tiempo real tanto de los puntos físicos como de los calculados, y se representan los eventos y las alarmas críticas del sistema. Todo el sistema consta de:

– Procesadores de control.- También llamados controladores, tienen como misión la regulación, mando y control de las instalaciones electromecánicas.
Los controladores reciben las señales de los sensores que realizan las mediciones, las comparan con la/s variable/s de referencia y transmiten las señales de salida al órgano final de control o al actuador correspondiente. Son los encargados de enviar al puesto central información de: temperatura, valores de consigna, demandas de calefacción y refrigeración, estado de los circuitos, alarmas de funcionamiento de equipos, horarios, etc.
– Sensores.- Un sensor mide el estado de una variable controlada o de variables de referencia (temperatura, presión, humedad,  concentración , etc.) y transmite una señal de entrada al controlador. Estos sensores estarán distribuidos por la instalación y su medida será recogida en un controlador.

– Actuadores o elementos finales de control.- Se llama elemento final de control a aquellos elementos que reciben la señal de salida del controlador y actúan en función de dicha señal. Los más importantes en el control de la climatización de un edificio son las válvulas junto con su motor y los actuadores de compuerta.

ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UNA INSTALACIÓN DE PRODUCCIÓN DE AGUA FRÍA

       La instalación de ejemplo se compone de dos enfriadoras, un circuito primario compuesto por dos pares de bombas en retorno y un circuito secundario con dos pares de bombas gemelas que impulsan el agua enfriada a través del sistema hidráulico de frío hasta las baterías de los climatizadores y los fancoils.

ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UNA INSTALACIÓN DE PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE

 El sistema de producción de calor con el que cuenta el imaginario edificio está formado por dos calderas que elevan la temperatura del agua. Cada una de ellas tiene un par de bombas que permiten la circulación del agua hasta el circuito secundario. En el circuito secundario hay tres pares de bombas gemelas que se encargan de distribuir el agua a los radiadores, a las baterías de climatizadores y a los fancoils.

• Calefacción por suelo radiante

     El sistema de suelo radiante consiste básicamente en tubería plástica instalada bajo los pisos, a través de la cual circula agua caliente a baja temperatura que varía entre 25 y 45°C en función de la temperatura exterior, transfiriendo calor a los pisos de manera uniforme y controlada, convirtiéndolos en enormes radiadores de calor de baja temperatura que envuelven a las personas en un ambiente cálido y confortable de pies a cabeza.                                                                                                                                          La temperatura del piso es controlada por sensores de temperatura que lo mantienen entre 25 y 26°C, así como también limitan su temperatura máxima a 29°C. La temperatura de cada habitación se controla de forma independiente, brindando un mayor confort y permitiendo el ahorro de energía en las áreas desocupadas de la casa.                                     De los sistemas de calefacción existentes en el mercado, el piso radiante es el que más se aproxima a la curva ideal de confort, por lo que la temperatura ambiente es prácticamente uniforme en todo el espacio a caldear.  En la figura puede observarse como la temperatura permanece prácticamente constante (unos 20º C) de los pies a la cabeza, mientras que en los sistemas por radiadores o aire acondicionado, las temperaturas están más altas por encima de la cabeza y más frías en los pies.                                                                                                    Otras ventajas de este sistema es que   no genera corrientes de aire, sequedad en el ambiente ni estratificación de temperaturas. Además, el sistema de piso radiante tiene la particularidad de que los pisos adquieren una temperatura muy agradable al tacto, por lo que andar descalzo es muy agradable.Es un sistema silencioso ya que no se emplean fuentes de ruido dentro de las habitaciones. La única contraprestación que presenta frente a otros sistemas es su lentitud para calentar a la hora de poner en marcha la instalación, puesto que tiene que calentarse la estructura sólida del suelo.

Funcionamiento:

Los sistemas de calefacción hidrónica conducen el calor eficientemente hasta los puntos de utilización por medio de agua. Una o varias bombas recirculan el agua a través del sistema en una serie de circuitos, conformados por la fuente de calor, las tuberías principales, los distribuidores y las unidades terminales; que en su conjunto constituyen un gran circuito cerrado. En un sistema de piso radiante las unidades terminales son los pisos mismos. Los circuitos de calefacción instalados bajo estos, los convierten en enormes radiadores de calor de baja temperatura que brindan un gran confort. Con nuestro sistema, la bomba principal funciona solamente cuando existe demanda de calor, la cual puede generarse en una o varias zonas de forma simultánea cuando la temperatura ambiente es inferior a la temperatura ajustada en los termostatos.                                                                                    Bajo dichas circunstancias, los actuadores de las válvulas de paso de los circuitos de calefacción de las zonas correspondientes permiten la circulación de agua, transfiriendo calor a los pisos radiantes que los demanden. Cuando se instalan sensores de temperatura en los pisos, se puede controlar tanto su temperatura mínima como máxima, proporcionando un mayor confort ya que los pisos siempre estarán calientes.                     Como se ha dicho, este sistema funciona con bajas temperaturas (unos 45 º C), por lo que lo hace ideal para calentar el agua con calderas de condensacion, las cuales presentan unos rendimientos superiores a las convencionales en una cuantía en torno al 30%. Un sistema muy rentable y completo, puesto que también proporciona agua caliente sanitaria, es el representado en la figura superior, donde el sistema principal de aportación calorífica son unos captadores solares térmicos, y una bomba de calor como sistema auxiliar.                                                                                                                                           Daikin ha diseñado un sistema (http://www.daikin.es/daikin-altherma/) muy interesante como aplicación de lo comentado.

                                                            

CICLO FRIGORÍFICO

Introducción al ciclo de compresión mecánica.-
Llevando a la práctica las ideas teóricas de Lord Kelvin citadas en los principios termodinámicos, la idea básica de una máquina frigorífica es expansionar un gas para evaporarlo. Ese proceso es siempre endotérmico, es decir, absorbe calor y por tanto enfría lo que tenga alrededor (agua, aire, alimentos, etc.). Pero para que el gas se expansione, previamente hay que comprimirlo, luego necesitaremos un compresor.  Vemos pues, que en esencia, se trata de comprimir y evaporar un gas en un ciclo cerrado . Por eso, todo equipo de compresión mecánica se compone de cuatro elementos unidos entre sí por líneas frigoríficas. Estos son: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.

Para su funcionamiento, los equipos deberán tener una determinada carga de gas refrigerante, comercialmente conocido como freones (R-410, R407, R-134a, etc.). A esta carga de gas se le llama caudal másico (m). Una vez que la máquina comienza a funcionar, observaremos lo que ocurre en cada proceso, tanto en el esquema sinóptico representado, como el diagrama de Moliere del gas refrigerante en cuestión:

      Compresión (c-d).- El compresor comprime el gas elevando su presión desde la zona de baja presión (Pa), o presión de aspiración, hasta la presión de alta (Pc) o presión de compresión.  Este proceso es teóricamente  adiabático, quiere decir esto que toda la energía del compresor se transforma en incremento de presión y temperatura sin pérdidas de calor al exterior.
Durante este proceso tenemos que aportar un trabajo w (generalmente, mediante un motor eléctrico).
El trabajo que realiza el compresor por cada Kg de refrigerante es:  w = Hd- Hc.
Luego, la potencia consumida por el compresor en Kcal/h será W = m x w = m (Hd -Hc),
donde m = caudal másico del refrigerante en Kg/h.

      Condensación (d-g).- Durante la primera parte de este proceso (tramo d-e), el gas recalentado que sale del compresor (punto d), comienza a bajar la temperatura debido al calor absorbido por el aire del ventilador representado en la figura hasta el punto e (llamado punto de rocío), en la línea de vapor saturado donde realmente comienza la condensación . desde e hasta f tiene lugar la condensación propiamente dicha; o sea, de manera progresiva, el gas se irá licuando hasta el punto f , línea de líquido saturado, donde se habrá condensado todo el gas y sólo habrá líquido. Durante este proceso  la temperatura permanecerá constante.

       Durante el periodo f-g continúa la absorción de calor hasta bajar la temperatura hasta g, entramos ya en la zona de líquido subenfriado. Por eso a este proceso se le llama subenfriamiento, el cual, tiene por objeto aumentar el rendimiento del ciclo como se verá más adelante.
El calor total necesario extraer del refrigerante para desrecalentar, condensar y subenfriar por Kg de refrigerante es: qc = Hd- Hg
Este calor es la suma del calor sensible de condensación:

Qc (sensible) = (Qd-Qe) + (Qf-Qe)

más el calor latente de condensación:

Qc(latente)= Qe- Qf
La potencia a absorber por el medio condensante (aire, en este caso) será:
Qc = m x (Hd- Hg) Kcal/h

     Expansión(d-a).- El refrigerante en estado líquido se expande a su paso por la válvula o dispositivo de expansión, bajando la presión desde Pc , o zona de alta presión a Pa, o zona de baja presión. En el diagrama de moliere vemos como este proceso  corta la línea de líquido saturado y entra en la zona de vapor húmedo; o sea, que en el punto a la mayor parte del refrigerante sigue siendo líquido y una pequeña parte ha comenzado a evaporarse.
Este proceso es isoentálpico. observase en el diagrama de Moliere que está representado por un segmento perpendicular al eje de la entalpía, por tanto, esta no varía.

    Evaporación (a-c).- Es el principal proceso del ciclo, ya que en éste es donde se consigue enfriar el refrigerante y por trasmisión, también enfriar aire, agua o cualquier elemento que al que queramos bajar su temperatura.
El proceso A-B representa la ebullición del refrigerante líquido; a lo largo de este tramo el líquido se vaporiza, absorbiendo calor del refrigerante (por tanto, enfriando todo lo que le rodee). Durante este proceso la temperatura y presión permanecen teóricamente constantes.
Al llegar al punto B, se acaba el líquido refrigerante y todo el fluido frigorígeno se encuentra en estado de vapor saturado. Resulta prácticamente imposible que una máquina trabaje en unas condiciones de carga de gas y temperaturas tan estables que describa el diagrama teórico del que hablamos; por diversos motivos el punto B se puede desplazar algo hacia la izquierda y entonces parte del fluido estará en estado líquido, Es lo que se conoce como golpe de líquido, que podría dañar la compresor ya que estos son difícilmente comprimibles.

    De ahí la conveniencia de aumentar un poco la temperatura  del refrigerante a fin de asegurar que el compresor siempre comprima gas. A este proceso (b-c) se le llama recalentamiento .
La producción frigorífica, o lo que es lo mismo, el calor absorbido por el de refrigerante es: Qc = m x(Hc – Ha) Kcal/h.
En resumen, hemos visto los cuatro procesos que constituyen el ciclo frigorífico por compresión y su representación termodinámica en el diagrama de moliere. Desde un punto de vista de balance energético podemos extraer las siguientes conclusiones:

    • El trabajo externo aportado, y por tanto el coste energético de un sistema frigorífico es siempre es siempre el proceso de compresión. Lógicamente el consumo eléctrico del motor que mueve al compresor es proporcional a la diferencia de presión entre alta y baja y a la cantidad de refrigerante contenido en el circuito (Lo representa la zona amarilla en el diagrama de Moliere). Su valor es:
W = m (Hd-Hc) Kcal/h

• Durante el proceso de condensación cedemos calor al exterior para licuar el gas refrigerante. Este calor se «tira» a la atmósfera en el caso de que lo que busquemos de la máquina es sólo enfriar, o lo aprovechamos; por ejemplo, para calefacción. Constituyen lo que se llama bomba de calor. Su valor es
  Qc = m x (Hd-Hg) Kcal/h
• En la expansión la entalpía permanece constante, no se absorbe ni cede calor (Q = 0). Simplemente disminuye la presión, de manera que no tendremos en cuenta este proceso a efectos de balance térmico.

        Durante el proceso de expansión absorbemos calor del exterior (enfriamos lo que esté en las cercanías del evaporador), Es el proceso realmente útil de una máquina frigorífica. El calor absorbido («frío» generado, coloquialmente hablando) es:
Qa = m x (Hc – Ha) Kcal/h

El calor absorbido Qa está representado por el área amarilla del diagrama de Moliere.

     Eficiencia del ciclo.-

     Si utilizamos la máquina a modo «solo frío» su rendimiento será el cociente entre el calor absorbido (Qa) y la energía empleada para conseguirlo; es decir, la de compresión (W). A este ratio se le denomina con las siglas inglesas EER (Energía efficiency rating).
EER = Qa/W = m x (Hc – Ha)/ m (Hd-Hc) = Hc – Ha/ Hd-Hc

Utilizando la máquina como bomba de calor su rendimiento o eficiencia es el cociente entre el calor cedido ( Qc) y la energía necesaria para conseguirlo (W). Este ratio recibe el nombre de COP (Coeficient of Performance). Por definición, su valor es:
COP = Qc/W = m x (Hd-Hg)/ m (Hd-Hc) = Hd-Hg/ Hd-Hc

En la mayoría de los equipos de aire acondicionados podemos ver que está etiquetados con unos determinados valores de EER y COP. Estos los obtenía el fabricante poniendo a funcionar las máquinas en condiciones óptimas de trabajo, dando así el máximo rendimiento (algo muy parecido al consumo de los vehículos dados por los fabricantes de coches extraídos de un banco de pruebas en condiciones ideales). Generalmente las máquinas, como los coches, trabajan en regímenes de funcionamiento variables que finalmente dan un rendimiento real más bajo.
Por eso, desde el 1 de Enero del 2013, una nueva normativa (Reglamento Delegado 626/2011) obliga a etiquetar las máquinas con los nuevos ratios denominados SEER y SCOP, los cuales se definen de la siguiente manera:
Factor de Eficiencia Energética Estacional (SEER).- Es el factor de eficiencia energética global de la unidad, representativo de toda la temporada de refrigeración, calculado como demanda anual de refrigeración de referencia dividida por el consumo anual de electricidad para refrigeración.
Coeficiente de rendimiento estacional (SCOP).- Coeficiente global de rendimiento de la unidad, representativo de toda la temporada de calefacción designada (el valor de SCOP corresponde a una temporada de calefacción determinada). Se calcula dividiendo la demanda anual de calefacción de referencia por el consumo anual de electricidad para calefacción.
Como es natural, estos coeficientes estacionales son mucho más bajos que los tradicionales COP Y EER,  porque sí que representa la eficiencia real de la máquina.
En cualquier caso, lo que por el momento interesa es tener claro el concepto de Eficiencia, teniendo en la cabeza el diagrama de Moliere. Esto es, que para cualquier de los coeficientes mencionados, lo que queremos conseguir (calentar o enfriar) siempre está en el numerador del ratio en cuestión y el trabajo aportado por el compresor siempre está en el denominador. Por tanto, observando el diagrama de Moliere, una máquina rendirá más, cuanto mayor sea el segmento d-g si la usamos como bomba de calor, o el segmento a-c si queremos enfriar. En ambos casos también aumentará el rendimiento si conseguimos reducir la potencia consumida por el compresor.

     De este concepto surge la tecnología llamada inverter, que básicamente consiste en adecuar la demanda energética a la oferta. En los equipos convencionales, el ciclo descrito permanece aproximadamente con unos valores constantes mientras funciona.  Su rendimiento no varía.

     En cambio, en los equipos inverter, el compresor modula su trabajo a medida que nos acercamos a la temperatura deseada, o sea que el factor W no es constante, sino que disminuye progresivamente , y como la eficiencia es el calor cedido o absorbido dividido por la energía aplicada (W), al disminuir esta el SCOP o el  SEER aumentará en la misma proporción.

CONCEPTOS PRELIMINARES DE AIRE ACONDICIONADO

   Para tratar los conceptos en los que se fundamenta la tecnología del aire acondicionado, es preceptivo conocer los  principios termodinámicos, parámetros físicos y fenómenos que intervienen en su generación.

Principios termodinámicos.-
El inventor del aire acondicionado fue Lord Kelvin (año 1842). Para ello se basó en tres principios:
• El calor siempre fluye de una temperatura determinada a otra más baja (Segundo principio de la termodinámica). Por ejemplo, cuando introducimos un alimento en un frigorífico, parte del calor que éste posee pasa al aire existente dentro del frigorífico por estar este a una temperatura inferior. Como consecuencia de esta cesión de calor, el alimento se enfría.
• El cambio de estado de líquido a gas (vaporización) absorbe calor. Ello explica que sintamos una sensación de frescor cuando nos ponemos delante de un ventilador; ya que el aire impulsado evapora el sudor de nuestro cuerpo y debido a este proceso evaporativo, disminuye la temperatura superficial de nuestra piel.
• La presión y la temperatura están directamente relacionadas. Por ese motivo el agua se congela a 0ºC y hierve a 100ºC a nivel del mar, pero en lo alto de una elevada cordillera, estos valores varían considerablemente, debido a que la presión atmosférica es menor.
Lo que entendemos por frío vale únicamente como sensación térmica que sentimos, pero en rigor, y desde un punto de vista termodinámico, el «frio» no existe, sino que un determinado cuerpo gas o fluido tendrá más o menos calor. precisamente la termo-dinámica es la ciencia que estudia el dinamismo de lo «termo»; o sea, del calor. Dicho de manera más intuitiva, un bloque de hielo a -10ºC posee una determinada cantidad de calor que podría transmitir a otro que esté a -20ºC.

Parámetros.-
• PRESIÓN: Se define como la fuerza ejercida sobre una determinada superficie.
(P = F/S). P= presión, generalmente expresada en Kg/cm2 .
F= Fuerza, expresada en Kg.
S= Superficie, expresada en cm2
Tal como se desprende de la ecuación, la presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la superficie. Ello explica que una persona caminando sobre nieve blanda se le hundan los pies, pero si portase unos esquís no ocurriría eso, ya que la superficie sobre la que se apoya es mayor y la presión disminuye.
Las unidades en la que se expresan los valores de la presión varían en función de su utilización. Partiremos de la presión atmosférica a nivel del mar (Atm):
1 Atm.= 1.033 Kg/cm2= 760 mm. Hg (milímetros de columna de mercurio) = 10,33 m.c.a. (metros de columna de agua)
Podemos decir que una columna de aire cuya base tenga 1 cm2 y una altura equivalente a toda la atmósfera terrestre (unos 100 kilómetros), ejerce la misma presión que una columna de mercurio de igual base, pero de sólo una altura de 760 mm. o de otra columna de agua de unos 10 metros de altura.
En el sector de aire acondicionado, a veces también se emplea la unidad de presión inglesa PSI. Su equivalencia es: 1 Atm.= 14.7 PSI. Posee la ventaja de ser mucho más precisa que las atm. por ser una unidad más pequeña.

      La presión puede ser absoluta o relativa. La primera, como su nombre indica, es la presión total. De manera que dentro de cualquier recipiente abierto, situado a nivel del mar,aproximadamente habrá una presión de 1 Kg/cm2.

         La presión relativa es la suma de absoluta más la atmosférica. También se le llama presión manométrica.

                                                      
      • CALOR: Termodinámicamente es la principal manifestación de la energía. Su unidad en el sistema métrico es la caloría. Se define como el calor necesario para elevar un gramo de agua de 15ºC a 16 ºC. Como esta unidad es muy pequeña, en refrigeración se suele emplear la kilocaloría. (Kcal = 1000 cal.)
También es muy usual entre los fabricantes de máquinas de aire acondicionado expresar la potencia de los equipos en Kw ( 1Kw = 860 Kcal).

• ENTALPÍA: Expresa una medida de cantidad de calor absorbida o cedida por un sistema termodinámico (como puede ser una determinada cantidad de un gas frigorífico dentro de un recinto cerrado) durante una transformación isobárica (a presión constante). Como hablamos de calor, la entalpía se mide en Kcal o Kw.
Más adelante veremos como estas transformaciones isobáricas tienen lugar en el ciclo termodinámico característico de una máquina frigorífica.

• CALOR ESPECÍFICO: Se define igual que el calor, pero en lugar de referirnos al agua, tomaremos como referencia el material específico considerado. Por ejemplo, 1 kg de hierro necesita 0.114 Kcal para elevar un grado su temperatura, 1Kg de aire necesita 0.24 Kcal… y así cada sustancia o elemento tiene su propio calor específico.

CAMBIOS DE ESTADO:

   Toda sustancia puede estar en estado sólido, líquido y gaseoso. Depende de la temperatura y la presión a la que se encuentre. Si uno u ambos parámetros varían, una sustancia puede pasar de un estado a otro: se produce un cambio de estado.

En el gráfico adjunto se puede ver la denominación de cada cambio de estado. Para el estudio del ciclo frigorífico nos interesan, sobre todo, los fenómenos de vaporización y condensación.

   Suponiendo como fluido de estudio una determinada cantidad de agua dentro de un recinto cerrado al que la suministramos calor. Ocurrirá lo siguiente:

Supongamos que estamos en el punto A del diagrama PH (presión-entalpía) a una temperatura de unos 20ºC y a la presión atmosférica a nivel del mar(1 Atm). Cuando el agua se calienta, su temperatura se eleva proporcionalmente hasta que empieza a hervir (en este momento estamos en el punto B), a este calor aportado durante el tramo A-B se le llama calor sensible, el cual, se ha empleado en elevar la temperatura del agua hasta que comienza a hervir (punto B). En el ejemplo mencionado, estaríamos a una temperatura de 100ºC .

    Si se continúa suministrando calor, comienza la vaporización (tramo B-C). Durante todo este proceso, hasta que se evapora la última gota de agua (punto C), la temperatura permanece constante (se le llama transformación isotérmica). De manera que todo el calor aplicado durante la vaporización se ha empleado en el cambio de estado de líquido a gaseoso. A este calor se le llama calor latente de vaporización. El agua en su punto de ebullición (punto C), se le llama también vapor saturado y consecuentemente, el punto de ebullición es también conocido como temperatura de saturación. Para cualquier valor comprendido entre B y C parte del agua contenida en el recipiente se encontrará en estado líquido y otra parte en estado gaseoso. Así, por ejemplo, en el punto T, habrá aproximadamente un 75% de agua y un 25% de vapor. Se dice entonces que el vapor tiene un título de 0.25, pues este valor está siempre comprendido entre 0 y 1 (0 cuando coincide con el punto B en la curva de líquido saturado y 1cuando coincide con el punto C en la curva de vapor saturado).
Si se suministra más calor (tramo C-D) la temperatura del vapor comenzará a elevarse de la misma manera que cuando comenzamos a calentar el agua. A partir de ese punto se le llama vapor recalentado.

       En resumen, hemos visto que para pasar de estado líquido a gaseoso (vapor), el calor suministrado puede ser sensible, cuando el calor produce un incremento de temperatura (tramos A-B y C-D) o latente, cuando el calor aportado se traduce en un cambio de estado (tramo B-C). Lo mismo ocurre con otros elementos, tales como el aire o los gases refrigerantes empleados en la industria de la refrigeración, los llamados gases Hidroflúorcarbonados (Comercialmente conocidos como freones).

       Durante toda la transformación descrita hasta ahora, hemos supuesto que el agua a calentar se encontraba a la presión atmosférica (P2). Si la presión fuese superior a la atmosférica, la transformación sería la situada en la parte superior del diagrama; es decir la determinada por la presión P1 y temperatura T1. Donde los puntos B´y C´ determinarían el comienzo y final de la evaporación correspondiente a la presión P1. Como se puede ver gráficamente, a medida que aumenta la presión, se necesita más calor para provocar el cambio de estado.
En el caso de que se calentase el agua por debajo de la presión atmosférica, la transformación sería la representada en la parte inferior del diagrama. En este caso podríamos decir que es «más fácil» evaporar el agua, ya que se necesita menos calor para conseguirlo. Los puntos iniciales y finales de la evaporación serían B´´ y C´´, donde la presión y temperatura correspondientes serían P3 y T3.

Para una determinada sustancia, en este caso agua, unimos todos los puntos en los que comienza la evaporación a distintas presiones (puntos B, B´, B´´, etc.), obtendremos la línea de líquido saturado. También, uniendo los puntos en los que finaliza el proceso de evaporación (C,C´,C´´, etc.) quedará definida la línea de vapor saturado. Así en cualquier punto que nos situemos, tanto en la de líquido como en la de vapor saturado, a una determinada presión se corresponde una temperatura. Más adelante se verá que tal correspondencia es la que figura en los manómetros de frigoristas. Aunque con ellos midamos una presión, también nos indica una escala temperatura correspondiente a la presión medida en la línea de saturación.
Si en lugar de agua la sustancia fuese aire, amoniaco o un gas frigorífico, los valores de presión y entalpía serían distintos, pues cada uno de estos elementos evaporan y condensan a distintas presiones y temperaturas. Luego, cada sustancia tiene su propio diagrama presión-entalpía. Es lo que se llama diagrama de Mollier característico de cada gas.
Vemos pues, como se forma una especie de «campana» dentro de las coordenadas presión – entalpía, donde también están representadas las líneas isotermas (temperatura constante T1, T2, T3, etc.).
Toda el área situada a la izquierda de la «campana», representa la zona de líquido subenfriado. Lo que está dentro de la «campana» es vapor húmedo y lo que está a la derecha es vapor sobrecalentado.
El proceso opuesto a la vaporización es la condensación; es decir, la transformación de un elemento en estado gaseoso a estado líquido. Para que esto ocurra se tiene que producir una reacción exotérmica (quiere decir que el agua cede calor al exterior); por ejemplo, enfriando el vapor en un intercambiador de calor, o ventilando con aire a la temperatura ambiente.
El proceso de condensación en el diagrama P-H a la presión atmosférica, sería D-C-B-A, y el calor cedido por el vapor para pasar de estado gaseoso a líquido sería Hc – HB

Temas relacionados:

http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Refrigeration+and+Air+Conditioning/Refrigeration+Basic/Fundamental+terms.htm