Tablas de Propiedades Termodinámicas
Todas las propiedades termodinámicas vistas hasta aho- ra, tales como presión, temperatura, volumen específico y entalpia, se publican en forma de tabla para cada refrigerante. Estas tablas las elaboran los fabricantes de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o boletines técnicos.
En la tabla 12.12, se muestra una parte de las propiedades termodinámicas del R-22, en condiciones de saturación, donde se pueden observar además de las propiedades ya vistas, otras como la densidad y entropía.
Estas tablas tienen muchos usos prácticos para los técnicos de servicio, y son, por lo tanto, herramientas al igual que los manómetros y termómetros. Algunas de las cosas que pueden determinarse por medio de ellas son: ajuste de controles, verificar temperaturas de acuerdo a las presiones, determinar cuál será la presión de alta para un conjunto dado de condiciones, ajuste del sobrecalentamiento de la válvula de termo expansión, la caída de presión, capacidad de los cilindros y tanques recibidores de refrigerante, estimación de la capacidad del compresor, etc...
A continuación, se definirán brevemente las dos propiedades termodinámicas que no se habían mencionado; estas son: densidad y entropía.
5. Densidad
La densidad de un fluido puede definirse como su peso por unidad de volumen. Las unidades en que se expresa esta propiedad son comúnmente kg/m³ o puede utilizarse también kg/l.
Los líquidos tienen diferentes valores de peso por metro cúbico o por litro, lo que se conoce como densidad. La mayoría de los refrigerantes en estado líquido, tienen una densidad más alta que el agua (gravedades específicas arriba de 1.0). La densidad de cada refrigerante varía con la temperatura. Puesto que, por regla, los líquidos se expanden al calentarse, su densidad a altas temperaturas es menor que a bajas temperaturas.
En la tabla 12.13, se muestran las densidades en estado líquido y vapor, de los refrigerantes que seleccionamos para comparación. Las unidades en fase líquida están en kg/l; esto significa que un litro de R-22 a 30°C, pesa 1.17 kg y un litro de amoníaco (R-717), pesa casi 600 gramos.
Las unidades de densidad en fase vapor están en g/l (1 g/l = 1kg/m³); es decir un litro de vapor de R-22 a 30°C, pesa 50.6 gramos, y un litro de vapor de amoníaco pesa 9 gramos.
Los valores del volumen específico de un refrigerante (y en general de cualquier fluido), como los que se muestran en la tabla 12.10, son el recíproco de los valores de la densidad. Por ejemplo, la densidad de R-22 líquido a -15°C es 1.334 kg/l. Si dividimos 1 entre este valor, obtenemos el valor del volumen específico del R-22 líquido a -15°C, o sea, 0.7496 l/kg. Lo mismo es cierto para los valores del vapor saturado a -15°C. La densidad del R-22 es 12.882 g/l; por lo que su volumen específico es 1/12.882 = 0.0776 l/g (77.6 l/kg).
Los valores de la densidad tienen algunas aplicaciones útiles para cálculos de ingeniería, mayormente la densidad en fase líquida. La densidad en fase vapor es útil en problemas que involucran al evaporador, la línea de succión y el condensador. La densidad en fase líquida se utiliza, entre otras cosas, para calcular la capacidad de cilindros o tanques recibidores.
Por ejemplo, un tanque recibidor tiene un volumen interno de 0.04816 m³ (si no se conoce el volumen del tanque, se puede calcular con el diámetro interior y la altura). Si se fuera a utilizar con R-22, ¿cuál sería su capacidad de líquido segura? Existen dos métodos para determinarla.
a) Si la temperatura ambiente es de 25°C, el R-22 tiene una densidad de 1,194 kg/m³ (o bien, 1.194 kg/l); así que, el recibidor, tendría una capacidad de 1,194 x 0.04816 = 57.5 kg y estaría completamente lleno. Pero si la temperatura ambiente (y la del tanque) aumentara a 38°C, a este recibidor sólo le cabrían 54.9 kg (0.04816 x 1,140, la densidad a 38°C). Es decir, 2.6 kg menos que a 25°C, por lo que el tanque podría reventarse. A mayor temperatura, como 52°C, sería aún peor; (0.04816 x 1,075 = 51.77 kg), o sea 5.73 kg menos que a 25°C.
Se puede permitir arbitrariamente un 15% de factor de seguridad, y llenarlo a un 85% de su capacidad total de líquido. Entonces, 0.85 x 57.5 = 48.87 kg, que es la cantidad que se deberá poner en este tanque recibidor. Este método, es similar al método que se basa en el volumen de agua de cilindros para refrigerante.
b) Un método mejor y más fácil, es determinar la temperatura más alta a la que podría estar expuesto el tanque recibidor, y multiplicar la densidad del líquido a esa temperatura por el volumen interno del tanque. Nunca se debe considerar esta temperatura máxima menor a 55°C. En climas calientes donde un recibidor, cilindro u otro recipiente pueda estar expuesto a los rayos directos del sol, se debe usar una temperatura máxima de 60°C, o aún de 65°C, y seleccionar la densidad del líquido a esa temperatura.
En nuestro ejemplo, estableceríamos una capacidad máxima del recibidor, basándonos en una temperatura de 55°C de (0.04816 x 1,059) = 51.0 kg.
Para otros refrigerantes, el mismo tanque recibidor tendrá diferente capacidad. Por ejemplo, seleccionando una temperatura máxima de 55°C para el R-12, tendría una capacidad de (0.04816 x 1,188.80) = 57.25 kg.
La densidad del vapor de cada refrigerante también varía con la temperatura. Sin embargo, hay una diferencia importante: la densidad del vapor saturado aumenta al subir la temperatura, mientras que la densidad del líquido disminuye al aumentar la temperatura. Por ejemplo, a 4°C de saturación, la densidad del vapor del R-22 es 24.03 g/l, pero a -18°C es solamente 11.58 g/l. Nótese que son vapores saturados. Si se sobrecalienta un vapor saturado, como sucede en la línea de succión, se expande y su densidad se vuelve menor. Esta no es la misma condición que al calentar un líquido, ya que la densidad de un vapor saturado de un líquido más caliente es mayor que la de un líquido más frío.
Esta es la razón principal por la que un sistema de refrigeración tiene mayor capacidad con un evaporador a 4°C, que con un evaporador a -18°C. El vapor saturado a 4°C está más del doble denso que el vapor saturado a -18°C; por lo que en un cilindro de compresor el vapor a 4°C pesa más del doble que a -18°C. Consecuentemente, en el compresor circula más del doble de refrigerante, resultando más del doble de capacidad.