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.
 
Tabla 12.12 Sección de la tabla de propiedades termodinámicas de saturación para el R-22.
 
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.
 
Tabla 12.13 Densidad de algunos refrigerantes. [1] en kg/l.      [2] en g/l.
 
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 mues- tran 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 densi- dad en fase líquida. La densidad en fase vapor es útil en problemas que involucran al evaporador, la línea de suc- ción 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 tempe- ratura 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 tempe- ratura más alta a la que podría estar expuesto el tanque recibidor, y multiplicar la densidad del líquido a esa tempe- ratura 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.
 
 
 
                                                           R-22  TABLAS DE VAPOR SOBRECALENTADO  -  PRESION CONSTANTE A INTERVALOS DE PRESION
                                                       V = volumen en l/kg H = entalpia en kcal/kg S = Entropía en kcal/kg K (propiedades de saturación en paréntesis)
 
Tabla 12.14 Parte de la tabla de propiedades termodinámicas de vapor sobrecalentado de R-22 a intervalos de presión.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Otro ejemplo del uso de los valores de la densidad del vapor es el siguiente: supóngase que se tiene un cilindro de 57 kg de R-22 a temperatura ambiente de 21°C, el volumen interno real del cilindro es de 0.0557 m³.
 
Si se "vacía" el refrigerante líquido hacia el sistema, es decir, cargarlo en el recibidor en forma líquida, cuando todo el líquido haya sido "vaciado", el tanque aún contendrá 0.0554 m³ de vapor saturado a 21°C. La densidad del vapor saturado de R-22 a 21°C, es 39.55 g/l, así que el cilindro aún tendrá 2.19 kg (0.0554 x 39.55) de R-22. Si se devuelve al cilindro sin vaciarlo completamente, estare- mos perdiendo 2.19 kg de R-22.
 
6. Entropía
 
Con frecuencia se le llama la cantidad "fantasmal", y es una relación matemática muy útil, pero es muy difícil dar una explicación sencilla.
 
La entropía es un término de ingeniería, aplicado generalmente al proceso de compresión. Un proceso de compresión ideal, seguiría una línea de entropía constante en el diagrama de presión - entalpia (diagrama de Mollier).
 
Al igual que las otras propiedades termodinámicas de los refrigerantes, también se tienen en la tabla valores para el líquido y para el vapor a intervalos de temperaturas. Similar a la entalpia, el valor de entropía de un refrigerante líquido a -40°C, es 0, y los valores que realmente importan, son los cambios de entropía desde una temperatura de saturación a otra.
 
El cambio de entropía es una medida de la energía no disponible, que resulta del cambio de propiedades de un refrigerante.
 
El cambio de entropía, es la suma de todos los incrementos diferenciales de calor (kcal/kg), divididos por la temperatura absoluta (°C + 273 = K) existente, en el momento
que cada incremento diferencial se haya añadido o remo-
vido, de aquí que sus unidades son kcal/(kg)(K).
 
No tenemos que entender la entropía para utilizarla. En la mayoría de los compresores de alta velocidad, no hay un cambio de entropía apreciable durante la compresión. Así pues, si se conoce la entropía al inicio de la compresión (y se puede obtener de tablas), y si se conoce la presión de descarga, se pueden encontrar las propiedades del vapor de la descarga en las tablas de propiedades del vapor sobrecalentado.
 
La entropía, es pues, una relación que describe la energía relativa en el refrigerante, y se determina dividiendo la cantidad de calor en el líquido o en el vapor, por su temperatura absoluta.
 
La entropía no se utiliza mucho en trabajos en el campo, pero es muy útil en combinación con el diagrama de Mollier para estimar la temperatura de descarga del compresor. Ejemplo: un compresor que trabaja con R-22, descarga el vapor a una presión de 174 psia (1,200 kPa). Suponiendo que la entropía inicial del vapor que entra al compresor es de 0.227 kcal/kg K ¿cuál es la temperatura y volumen del vapor de descarga? Como ya se mencionó, no hay cambio de entropía durante la compresión; así que la entropía del vapor de la descarga, también es 0.227 kcal/kg K. Simplemente, se buscan la temperatura y el volumen correspon- dientes en la tabla 12.14, los cuales son 54°C y 22.57 l/kg.