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Universidad Tecnolgica de Panam Licenciatura en Ingeniera Electromecnica Laboratorio de Aire Acondicionado y Refrigeracin Laboratorio N2 Elementos de un Ciclo de Aire Acondicionado y Simbologa. Estudiantes Gustavo Bernal 8-865-2001 Fernando Osorio 7-708-480 Alek Ros 8-864-1342 Sundar Singh 6-730-506 Abdiel Vargas 8-860-65

Saln: 1IE251 (A)

Profesor: Jos Antonio Martnez

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INTRODUCCIN

Un ciclo de acondicionamiento de aire consta de una serie de elementos interconectados

entre s que permiten llevar a cabo su correcto funcionamiento, el sistema no solo se basa

de las maquinas principales estudiadas en los cursos tales como compresores,

intercambiadores de calor y ventiladores; tambin consta con elementos que muchos aun

no conocamos y los cuales son primordiales en el correcto funcionamiento del ciclo. Una

preparacin integral del profesional de la ingeniera en el rea del acondicionamiento de

aire debe conocer todos estos elementos y sus funciones en el ciclo para as tener un vasto

conocimiento general de todos los elementos que lo componen, posibles fallas y opciones

de reemplazo, adems de su obvia implementacin en aplicaciones de diseo de sistemas.

Apegado a esta informacin no es suficiente el simple conocimiento de su existencia,

debemos hablar de simbologas y de estandarizacin en los diagramas de procesos de aire

acondicionado, es por esto que diversas instituciones se enfocan en la unificacin de

criterios para hacer de forma ms amigable la interpretacin de diagramas en futuras

implementaciones diseos o reparaciones.

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Investigacin sobre equipos fundamentales en un sistema de Aire Acondicionado. Compresores Reciprocantes Un compresor reciprocante es un compresor de desplazamiento positivo que usa pistones movidos por un cigeal para entregar gases a alta presin. El aumento de presin en este tipo de compresor se da mediante el desplazamiento de un pistn a travs de un cilindro.

El proceso de compresin se puede dividir en cuatro etapas o posiciones para comprender de mejor manera el funcionamiento de este tipo de dispositivos: Posicin 1: Este es el inicio del stroke o carrera de compresin. El cilindro est lleno de gas a la presin de succin. El pistn empieza a desplazarse para llegar a la posicin 2, el gas es comprimido por ste desplazamiento del pistn y est representado por el tramo curvo 1-2.

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Posicin 2: En ste punto la presin del cilindro supera en un diferencial a la presin existente en la tubera de descarga. Este diferencial origina la apertura de la vlvula de la descarga. La descarga o transferencia de gas contina hacia la tubera. Esta accin est representada por el tramo 2-3 en el diagrama y por el cambio de posicin del pistn desde la posicin 2 a la posicin 3. Posicin 3: En sta posicin, el pistn complet toda la descarga o transferencia del gas desde el cilindro de compresin hasta la tubera lnea de descarga. En ste instante termina el stroke o carrera de descarga. Es obvio que el diseo de un compresor no pueda lograr un acoplamiento perfecto de la superficie circular del pistn y el extremo del cilindro, ste es el origen del volumen remanente de gas, el cual recibe el nombre de Clearance o Volumen Muerto. Al empezar el retorno del pistn, la presin dentro del cilindro ser mayor que la presin de succin, porque el volumen muerto o volumen clearance est a la presin de descarga, y se ir expandiendo (Ley de Boyle) con la consecuente disminucin de presin a lo largo de la curva 3-4, hasta llegar a la presin de succin en el punto 4. Posicin 4: En ste punto, al estar la presin del cilindro igualizada con la presin de succin o de carga al compresor, y empezar el stroke o carrera de succin, se produce la apertura de la vlvula de succin permitiendo el ingreso del gas al cilindro. Esta accin est representada por el tramo 4-1.

A continuacin se detallan algunas de las partes bsicas para el funcionamiento de estas mquinas a. Cilindro Es el recinto por donde se desplaza un pistn. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro geomtrico.

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b. Pistn El pistn es una de las partes ms simples, pero tiene la principal funcin de todas las partes del compresor, que es trasladar la energa desde el cigeal hacia el gas que se encuentra en los cilindros. El pistn posee rines de aceite y de presin. Este tipo de pistn es flotante. La designacin y materiales usados para los pistones varan con la marca, el tipo, y aplicacin del compresor. Estos son designados acorde al dimetro del cilindro, presin de descarga, velocidad de rotacin del compresor, capacidad del compresor y requerimiento de carga del pistn. c. Anillos del pistn En los compresores reciprocantes se emplean anillos de compresin, anillos de aceite y anillos montantes. Los anillos de compresin se utilizan en todos los casos, mientras que el empleo de los anillos de lubricacin y de los montantes depender del tipo de compresor y su servicio. d. Empaquetadura del vstago del pistn Los compresores que poseen pistones de doble accin, que son impulsados por medio de una cruceta al vstago del pistn, necesitan de un sellado en lado cigeal para evitar fugas de presin del gas hacia el espaciador por eso se necesita una empaquetadura. En las empaquetaduras se emplean los mismos materiales que en los anillos de pistn. La empaquetadura metlica puede permitir un desgaste del vstago de 0.15% en el dimetro de la misma. El vstago debe estar endurecida a Rockwell C 40 y esmerilada. e. Cruceta La cruceta es un embolo rgido que transmite el empuje de la biela hacia el pistn. Esta se utiliza en compresores con pistones horizontales debido a que el peso del pistn provocara un gran desgaste en la parte inferior de la camisa si se uniera directamente a la biela. Las crucetas se disean con perno flotante o perno fijo. f. Biela La biela esta sujetada al cigeal y a la cruceta, esta transmite el movimiento alternativo desde el cigeal al pistn. La biela es normalmente construida de aleaciones de acero y debe tener una dura y pulida superficie particular, donde est en contacto con la empaquetadura en los cilindros de doble accin. g. Cigeal Se encuentra instalado dentro de la montura y es el elemento que transmite la potencia del motor hacia las bielas. h. Cojinetes: La mayora de los compresores utilizan cojinetes hidrodinmicos, el aceite entra al cojinete a travs de los agujeros de suministro, que van perforados estratgicamente a lo largo de la circunferencia del cojinete que suministran y distribuyen formando una pelcula de aceite en el contacto entre las partes mviles y estacionarias. i. Vlvulas: Permiten la entrada y salida de gas al cilindro; en caso de cilindros de doble accin, existen vlvulas de succin a ambos lados del cilindro, mientras que en cilindros de simple accin slo se encuentran en un solo lado. Las vlvulas pueden ser de placa, lengeta y la ms aplicada para gas natural la de discos concntricos.

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Compresores Centrfugos. Descripcin: Los compresores centrfugos incrementan la energa cintica de un gas aumentando la velocidad tangencial del gas (ver figura 4.1). El gas entra en el compresor a travs de la tobera de admisin, pasando por el impulsor o rodete, generando un flujo turbulento. El impulsor, que es como un disco con palas, est montado sobre un eje rotatorio. Este recibe el gas desde la tobera de admisin y lo comprime incrementando la energa cintica del gas, que se puede considerar proporcional al producto de la velocidad en la punta del alabe y la velocidad tangencial en el impulsor. La velocidad resultante es el vector suma de la velocidad relativa y la velocidad en la punta del alabe. Rodeando al impulsor, se encuentra el difusor, que tiene la misin de reducir gradualmente la velocidad del gas cuando este sale del impulsor. El difusor convierte la velocidad de la energa cintica a un nivel de presin superior. En un compresor de una etapa, el gas abandona el difusor atravesando un canal que se encuentra en la carcasa, y finalmente sale por la tobera o caracol de descarga. En un compresor de varias etapas, el gas que sale del difusor va directamente al impulsor de la siguiente etapa.

Comparacin con otros tipos de compresores.

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Partes de un compresor centrfugo

Partes Descripcin

Impulsor El impulsor es el elemento encargado de suministrar energa al gas. El gas que atraviesa las palas del impulsor aumenta su velocidad, provocando un aumento de su energa cintica y por lo tanto un aumento de la presin. Es el encargado de aumentar aproximadamente 2/3 partes de la presin total en un compresor, por eso su diseo y seleccin deben ser minuciosos. Existen tres tipos de impulsores: abiertos, semi-abiertos y cerrados.

Difusor El sistema difusor consta de uno o varios rganos fijos, cuya misin es recuperar una parte de la energa cintica a la salida del impulsor, o lo que es lo mismo, conseguir mejorar el rendimiento posible, a expensas de la energa cintica que crea el impulsor, un incremento adicional de presin. El sistema difusor suele constar al menos de una caja espiral o voluta, a la cual se aade con frecuencia uno de los siguientes elementos: corona directriz, cono difusor, o los dos simultneamente.

Rotor Recibe la energa mecnica a travs del acople y la transfiere al gas por medio de los impulsores.

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Collar de empuje Se encuentra instalado directamente en el eje. Trabaja en conjunto con el cojinete para transferir la carga axial del rotor hacia la fundacin, va soportes y carcasa del compresor.

Pistn de balance Se encuentra ubicado despus del ltimo impulsor en el extremo de descarga. Se dimensiona para compensar la fuerza de empuje resultante del rotor. Reduce la fuerza o carga en el cojinete de empuje. Una serie de laberintos maquinados en la periferia, forman sello contra un anillo de material blando o colmena.

Cojinete de empuje Es utilizado para restringir el movimiento axial del rotor. Est compuesto de zapatas pivotantes. La pelcula de aceite transmite la fuerza desde el disco hasta el cojinete. El tamao del cojinete depende de la carga axial y dimensin del pistn de balance.

labes gua de entrada Elemento estacionario que puede ser fijo o ajustable. Provee la direccin deseada del flujo entrando al impulsor. El tipo ajustable es utilizado mayormente en compresores de una sola etapa. La inclinacin de estos alabes afecta a la caracterstica del compresor, incluyendo la lnea de oleaje o surge. Por eso debe tenerse muy en cuenta a la hora de realizar el diseo.

Diafragma Componente estacionario que se suele colocar en la pared divisoria entre las etapas. Controla la direccin y velocidad del gas. Incorpora el difusor y canal que dirige el gas hacia la aspiracin del siguiente impulsor.

Barril Conformado por el conjunto de rotor y partes estacionarias. Utiliza o-rings en el dimetro externo para evitar la recirculacin del gas entre las secciones o etapas.

Carcasa Contiene toda la presin y aloja al rotor junto al resto de las partes estacionarias, adems de las conexiones de aspiracin y descarga. Suele estar fabricada en acero forjado o vaciado.

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Ventajas

Los compresores centrfugos son utilizados en la industria por mltiples razones, especialmente

porque tienen menos componentes sometidos a friccin, tambin son relativamente eficientes,

y proporcionan un caudal mayor que los de desplazamiento positivo de tamao similar. El mayor

inconveniente es que no llegan a la relacin de compresin tpica de los compresores alternativos

que normalmente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70 MPa, a menos que se

encadenen varios en serie.

Los ventiladores centrfugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere

un trabajo continuo. Son mayormente empleados en sistemas de ventilacin, unidades de

refrigeracin, y otras aplicaciones que requieran mover grandes volmenes de aire aumentando

su presin mnimamente. Los compresores centrfugos se usan generalmente en

pequeas turbinas de gas como APUs (generadores auxiliares), motores turborreactores de

pequeas aeronaves (turboejes de helicpteros y algunos turbohlices) y en la reinyeccin de

gas natural en los pozos de petrleo para su extraccin.

Una razn significativa de ello es que con la tecnologa actual, un compresor axial que opere con

estos volmenes de aire sera menos eficiente por las prdidas en las tolerancias del rotor y el

estator. Hay muy pocos compresores centrfugos de un slo escaln capaces de entregar una

relacin de compresin de 10 a 1, principalmente por las cargas mecnicas que soportan y que

limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.

En el caso especfico de los motores para aeronaves mencionados anteriormente, una gran

ventaja es la simplicidad de los compresores centrfugos y su precio relativamente bajo. Requiere

menos escalones que un compresor axial para conseguir el mismo incremento de presin, ya que

el cambio de radio desde la entrada al rotor al borde de salida es tan acusado que la energa del

aire aumenta mucho en un corto espacio.

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Compresores Rotativos Un compresor de paletas rotativo tiene un rotor central girando y un nmero de paletas. El ensamble del rotor est encerrado dentro de un recipiente sellado con una vlvula de entrada y de salida. Las paletas son cargadas por resorte de modo que constantemente empujan contra el exterior de la caja, creando un sello hermtico. El rotor puede estar en el centro de la carcasa, pero a menudo es desplazado a un lado. Los compresores rotativos pueden tener dos mecanismos de accin, con paletas o de excntrica, tambin llamados de rodillo. En los compresores de paletas y de rodillo, la compresin se produce por la disminucin del volumen resultante entre la carcasa y el elemento rotativo, cuyo eje no coincide con el eje de la carcasa (ejes excntricos). En estos compresores rotativos no son obligatorias vlvulas de admisin, ya que como el gas entra de forma incesante en el compresor la pulsacin de gas es mnima. Compresor de Paletas: Para ste tipo de compresor el eje motor es excntrico respecto al eje del estator y concntrico respecto al eje del rotor. El rotor gira deslizando sobre el estator, con cinemtica plana (radial), en forma excntrica respecto a la superficie cilndrica interior del estator, establecindose un contacto que en el estator tiene lugar sobre una nica generatriz, mientras que en el rotor tiene lugar a lo largo de todas sus generatrices. El rotor es un cilindro hueco con estras radiales en las que las palas estn sometidas a un movimiento de vaivn, (desplazadores). Al producirse una fuerza centrfuga, las palas (1 ms) comprimen y ajustan sus extremos libres deslizantes a la superficie interior del estator, al tiempo que los extremos interiores de dichas palas se desplazan respecto al eje de giro.

Ventajas del compresor de paletas Mquinas poco ruidosas. No necesitan vlvula de admisin por lo que el vapor aspirado entra de manera continua. No existen espacios muertos perjudiciales. Rendimientos volumtricos muy altos. Inconvenientes del compresor de paletas Su fabricacin exige una gran precisin.

Campo de utilizacin: en funcin de la magnitud del volumen de vapor (o gas) desplazado y su elevado rendimiento a bajas presiones de aspiracin, les hace tiles en acondicionadores de aire e industrialmente como compresores booster en circuitos de compresin escalonada. Por razones constructivas, raramente trabajan por encima de, 3/5 kg/cm2, no sobrepasando relaciones de compresin mayores de 7.

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Vlvulas de Expansin. Las vlvulas de expansin son equipos de expansin, en donde la misma se puede lograr de manera manual o automtica. Existen diferentes tipos de vlvulas de expansin, dentro de las cuales podemos mencionar:

Manuales: En estas vlvulas no se depende de la temperatura de evaporacin del

refrigerante, sino que la regulacin de la misma se realiza mediante el ajuste de un

tornillo.

Figura 1. Esquema de una vlvula de expansin manual.

Electrnica o electromecnica: Este tipo de vlvulas funciona mediante un control

electrnico, en donde sensores de temperatura envan seales a un circuito integrado y

con estos datos mantiene un sobrecalentamiento dentro de los parmetros deseados.

Figura 2. Esquema de una vlvula de expansin electrnica.

Automtica: Es una vlvula operada por control de refrigerante mediante el lado de baja

presin, en donde la misma estrangula el lquido refrigerante en la la de lquido a una

presin constante.

Termostticas: Este tipo de vlvulas controla mediante un orificio el flujo de refrigerante

lquido en el evaporador, esto se logra mediante un vstago y asiento tipo aguja, el cual

vara la apertura. El agua es controlada por un diafragma o membrana que est sujeto a

tres fuerzas.

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Figura 3. Esquema de una vlvula de expansin termosttica.

La vlvula se encarga de encontrar un balance entre las presin del bulbo trmico (P1), en la parte superior de la membrana y en direccin de la apertura de la vlvula, y la presin del evaporador y del fuelle, ambas en la parte inferior de la membrana y en la direccin del cierre de la vlvula, llegando as a encontrar el sobrecalentamiento ms adecuado de su operacin. Cabe destacar que la presin del muelle es la nica variable que puede ser ajustada y que el bulbo trmico est unido al tubo de succin a la salida del evaporador. Cuando el bulbo trmico est expuesto a una temperatura superior, ste ejercer una presin mayor que la del refrigerante en el evaporador, y por consiguiente se abrir la vlvula; mientras que si est expuesto a una temperatura menor, la presin del evaporador ser mayor que la del bulbo, produciendo as que se cierre ligeramente la vlvula para disminuir el flujo. El fuelle de sobrecalentamiento tiene una presin fija que hace que la vlvula se cierre siempre y cuando que la diferencia neta entre la presin del bulbo y la del evaporador sea inferior a la fijada en el mismo.

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Diagrama de Sistema DAR-3.

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Diagrama Utilizando la simbologa de ASHRAE segn su Standard 134-2005.

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Conclusiones.

Los compresores son mquinas que comprimen el flujo de refrigerante aumentando su presin.

Los compresores reciprocantes utilizan elementos como pistones para lograr la compresin del refrigerante.

Los compresores reciprocantes se utilizan en aplicaciones pequeas donde no se manejan grandes cargas de enfriamiento.

Un compresos centrifugo est basado en el funcionamiento de las Turbomaquinas, similar a lo que es una bomba centrifuga.

Los compresores centrfugos son ms eficientes, pero tienen relaciones de compresin menores.

Los compresores centrfugos son convenientes en aplicaciones continuas. Un compresor centrfugo consta de menos partes que uno reciprocante.

Los compresores rotativos son relativamente silenciosos.

Un compresor rotativo presenta una alta eficiencia volumtrica.

Los compresores rotativos requieren una alta precisin en su fabricacin para lograr que los elementos no tengan interferencias en su funcionamiento.

Las vlvulas de expansin regulan la cantidad de refrigerante que pasara por el evaporador basado en relaciones de temperatura y presiones.

Una vlvula de expansin termosttica basa su funcionamiento en la utilizacin de un bulbo trmico que censa la temperatura del flujo de refrigerante la cual es separada por un diafragma por el cual se ejerce una diferencia de presiones entre el evaporador, la presin del bulbo trmico y la presin de un resorte que sirve para regular la apertura o cierre del diafragma.

La ASRHAE en su simbologa no cuenta con algunos de los equipos utilizados en el mdulo DAR-3 por lo cual nos hemos basado en la utilizacin de algunos ejemplos

Bibliografa:

1. Severns, William y Julian Fellows; Air Conditioning and

Refrigeration; Ed. John Wiley and Sons, Inc.; 2001; pp. 563. 2. Pita, Edward G.; Acondicionamiento de Aire; C.E.C.S.A.; Mxico;

1998.