Teoría: Refrigeración y Aire Acondicionado

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Corriente Trifásica

Cuando se tienen que utilizar motores de potencias elevadas, superiores a 1 HP (caballo de fuerza), es conveniente usar motores trifásicos. Esto se debe a que, para una misma potencia, resultan de menor tamaño que los monofásicos, poseen una marcha más suave y su mantenimiento es más económico.

Las compañías encargadas de la distribución de la energía eléctrica normalmente la entregan en el sistema trifásico. Este sistema consta generalmente de tres conductores de fase (denominados R, S, T) y un conductor neutro (N). Entre cada una de las fases y el conductor neutro existe una tensión de 220 V (tensión de fase), mientras que la tensión entre dos fases cualesquiera es de 380 V (tensión de línea).

Distribución de Energía Eléctrica en Estrella

La configuración típica de distribución permite obtener ambas tensiones:

Diagrama ilustrativo de tensiones en sistema trifásico 3x380V + N.

Tensión entre fases (R-S, S-T, T-R): 380 V

Tensión entre fase y neutro (R-N, S-N, T-N): 220 V

Motores Trifásicos

La diferencia fundamental de estos motores con respecto a los monofásicos consiste en que en el estator se alojan tres devanados o bobinados (uno para cada fase). Además, no poseen bobinados de arranque específicos ni dispositivos centrífugos como algunos motores monofásicos, ya que el campo magnético giratorio generado por las tres fases permite que arranquen por sí solos.

Los tres arrollamientos (devanados) de un motor trifásico pueden conectarse de dos maneras distintas:

1. Conexión Estrella (Y):
2. Conexión Triángulo (Δ):

Conexión Estrella (Y)

Esta conexión se logra uniendo entre sí tres terminales de los arrollamientos (por ejemplo, los finales U2, V2, W2) en un punto común (punto neutro) y conectando los otros tres terminales (los principios U1, V1, W1) a las fases R, S, T de la línea de alimentación, o viceversa.

Motor trifásico conectado en estrella a línea 3x380V + N.

En una placa de bornes típica, la conexión estrella se realiza colocando puentes metálicos para unir los terminales superiores (W2, U2, V2) y conectando las fases R, S, T a los terminales inferiores (U1, V1, W1). Como se observa, cada arrollamiento queda conectado entre una fase y el punto neutro. Si la tensión de línea es 380 V, cada arrollamiento recibe la tensión de fase (380 V / √3 ≈ 220 V).

Placa de bornes con puentes para conexión estrella.

Conexión Triángulo (Δ)

Esta conexión consiste en unir sucesivamente el principio de un arrollamiento con el final de otro (U1 con W2, V1 con U2, W1 con V2), formando un circuito cerrado. La línea trifásica (R, S, T) se conecta a los tres puntos de unión.

Motor trifásico conectado en triángulo a línea 3x380V.

Placa de Bornes y Selección de Conexión

Si tenemos un motor trifásico cuyos arrollamientos están diseñados para soportar una tensión nominal de 380 V y la línea trifásica de alimentación es de 3 x 380 V, debemos conectar el motor en triángulo. En la placa de bornes, esto se logra conectando los puentes metálicos en forma vertical (U1 con W2, V1 con U2, W1 con V2). De esta forma, cada arrollamiento queda conectado entre dos fases, recibiendo la tensión de línea completa (380 V).

Nota: Es crucial verificar la placa de características del motor, que indica las tensiones nominales para cada conexión (ej. 220/380 V indica 220 V en triángulo y 380 V en estrella; 380/660 V indica 380 V en triángulo y 660 V en estrella).

Motores de Anillos Rozantes

Existen motores trifásicos (motores de rotor bobinado o de anillos rozantes) cuyo rotor también tiene devanados, conectados a anillos colectores en el eje. Sobre estos anillos apoyan escobillas de carbón que permiten conectar resistencias variables externas (reóstatos de arranque) en serie con el bobinado del rotor.

Para arrancar el motor, se ajustan las resistencias a su valor máximo. A medida que el motor acelera, el valor de las resistencias se disminuye gradualmente hasta que, finalmente, los anillos rozantes se cortocircuitan. En estas condiciones, el motor funciona normalmente. Este método permite controlar la corriente de arranque y el par motor.

Dispositivos de Maniobra y Protección

Para el control y protección de motores, especialmente los de gran potencia, se utilizan dispositivos específicos, ya que los interruptores manuales pueden no ser adecuados para las altas corrientes o para operaciones automáticas.

Los Contactores

Los contactores son interruptores electromagnéticos. Utilizando una pequeña corriente (monofásica o bifásica) para alimentar su bobina, permiten comandar (abrir o cerrar) circuitos de potencia con altas corrientes (monofásicas o trifásicas).

Básicamente, están formados por:

• Una bobina con un núcleo de hierro.
• Un electroimán que, al ser energizado por la bobina, atrae una armadura móvil.
• Contactos principales (de potencia): Solidarios a la armadura móvil, cierran o abren el circuito principal del motor.
• Contactos auxiliares (de mando): También accionados por la armadura, se usan en el circuito de control (señalización, enclavamientos, etc.).

Las bobinas de los contactores se construyen para diferentes tensiones de alimentación, siendo comunes 24 V, 48 V, 110 V, 220 V y 380 V (AC o DC).

A continuación, se muestra simbólicamente el circuito de potencia y mando para un motor trifásico controlado por un contactor:

Circuito con Bobina de 220 V

El circuito de potencia incluye un interruptor general (o seccionador), los contactos principales del contactor y el motor. El circuito de mando alimenta la bobina del contactor (a 220 V, usualmente entre una fase y neutro) a través de elementos de control como un termostato o presostato.

Funcionamiento: Cuando el termostato/presostato cierra su contacto, circula corriente por la bobina del contactor. El electroimán se activa, cerrando los contactos principales y auxiliares. El motor se pone en marcha. Cuando el termostato/presostato abre su contacto, se interrumpe la corriente en la bobina, el electroimán se desactiva, los contactos se abren y el motor se detiene.

Circuito con Bobina de 380 V

En este caso, la bobina del contactor se alimenta a 380 V, conectándose generalmente entre dos fases del sistema trifásico.

Los contactos auxiliares se pueden utilizar para diversas funciones, como conectar lámparas de señalización que indiquen si el equipo está en marcha o parado, o para realizar enclavamientos eléctricos en circuitos más complejos.

Relé Térmico

Para la protección del motor contra sobrecargas, se suele intercalar un relé térmico entre el contactor y el motor. La corriente que alimenta al motor pasa a través de elementos calefactores dentro del relé térmico.

Aspecto físico de un relé térmico.

Si, por cualquier causa (mecánica o eléctrica), el motor consume más corriente de la nominal durante un tiempo prolongado, estos elementos se calientan excesivamente. Por la acción de este calor, una lámina bimetálica se deforma y actúa sobre un mecanismo que abre un contacto auxiliar del propio relé. Este contacto auxiliar se conecta en serie con la bobina del contactor.

Al abrirse el contacto auxiliar del relé térmico, se interrumpe la corriente de la bobina del contactor, provocando la apertura de los contactos principales y la detención del motor, protegiéndolo así del daño por sobrecalentamiento.

Estos relés de protección se fabrican para distintos rangos de corriente y se debe seleccionar el modelo adecuado según la corriente nominal del motor a proteger. Suelen tener un ajuste fino dentro de su rango.

Inversión de Marcha en Motores Eléctricos

A veces es necesario invertir el sentido de giro de un motor, por ejemplo, después de reparaciones, rebobinados o por requerimientos del proceso.

Motores Monofásicos

En muchos motores monofásicos (como los de fase partida o con condensador), la inversión de marcha se consigue permutando (intercambiando) las conexiones del bobinado de arranque respecto al bobinado de trabajo (o principal).

Motor de fase partida con terminales accesibles para inversión de marcha.

Motor conectado para giro en sentido contrario (terminales de arranque permutados).

Motores Trifásicos

La inversión del sentido de marcha en los motores trifásicos es muy sencilla: basta con permutar dos cualesquiera de las tres fases que alimentan el motor en la caja de bornes.

Sistemas de Arranque para Motores de Elevada Potencia

Todo motor eléctrico, en el instante del arranque, consume una corriente significativamente mayor que su corriente nominal de marcha (típicamente de 5 a 8 veces mayor), conocida como corriente de arranque o corriente de rotor bloqueado.

Esto no suele ser un inconveniente en motores de pequeña potencia, ya que la magnitud absoluta de esta corriente es manejable. Sin embargo, en motores de potencia considerable (por ejemplo, mayores a 5 HP), la corriente de arranque puede ser muy elevada, poniendo en peligro la instalación eléctrica (cables, protecciones) y causando caídas de tensión perjudiciales en la red.

Para mitigar este efecto, es necesario recurrir a distintos sistemas de arranque a tensión reducida.

Sistema de Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ)

Este es uno de los métodos más comunes para reducir la corriente de arranque en motores trifásicos.

Principio: Se arranca el motor conectando sus devanados en estrella a la tensión de línea. Una vez que el motor ha alcanzado una velocidad considerable (cercana a la nominal), se conmuta la conexión a triángulo para su funcionamiento normal.

Condición: Este método solo se puede aplicar a motores diseñados para funcionar nominalmente en conexión triángulo a la tensión de línea disponible. Por ejemplo, un motor con placa 380/660 V puede arrancar en Y-Δ en una red de 380 V (funcionará en Δ), pero un motor 220/380 V solo podría usar este arranque en una red de 220 V (funcionará en Δ); en una red de 380 V, este motor debe conectarse en estrella permanentemente.

Efecto: Al conectar en estrella un motor diseñado para funcionar en triángulo a la tensión de línea (ej. motor 380V Δ en línea 380V), cada devanado recibe una tensión √3 veces menor (380V / √3 ≈ 220V). Esto reduce la corriente de arranque a aproximadamente 1/3 de la corriente que consumiría si arrancara directamente en triángulo. El par de arranque también se reduce a 1/3.

Circuito Automático de Arranque Estrella-Triángulo

El cambio de conexión estrella a triángulo se realiza automáticamente mediante contactores y un temporizador.

El circuito típico utiliza tres contactores:

• KM1 (Línea): Conecta la alimentación al motor.
• KM2 (Estrella): Realiza el puente para la conexión estrella.
• KM3 (Triángulo): Realiza las conexiones para la conexión triángulo.

Un temporizador controla el tiempo durante el cual el motor permanece conectado en estrella antes de pasar a triángulo.

Circuito de potencia para arranque automático estrella-triángulo.

Funcionamiento simplificado:

1. Al dar la orden de marcha, se activan KM1 (Línea) y KM2 (Estrella). El motor arranca en estrella. El temporizador inicia la cuenta.
2. Transcurrido el tiempo ajustado (5 a 15 segundos, aprox.), el temporizador actúa: desactiva KM2 (Estrella).
3. Tras una breve pausa (para evitar cortocircuito), se activa KM3 (Triángulo).
4. El motor queda funcionando en triángulo, alimentado a través de KM1 y KM3.

Nota: Se requieren enclavamientos eléctricos (y a veces mecánicos) entre KM2 y KM3 para evitar que ambos se activen simultáneamente, lo que causaría un cortocircuito.

Acondicionamiento del Aire

Introducción

Hablando en términos generales, el acondicionamiento completo del aire (HVAC: Heating, Ventilation, and Air Conditioning) implica controlar diversos parámetros del aire en un espacio interior para proporcionar confort térmico y calidad del aire interior. Esto incluye:

• Calefacción: Calentar el aire en invierno.
• Refrigeración: Enfriar el aire en verano.
• Ventilación: Renovar el aire interior con aire exterior.
• Circulación: Mover el aire dentro del espacio acondicionado.
• Deshumidificación: Quitar humedad excesiva del aire.
• Humidificación: Añadir humedad al aire cuando está demasiado seco.
• Filtración: Limpiar el aire, eliminando polvo, polen, microbios y otros contaminantes.

Si tomamos en cuenta que una persona respira, en promedio, una cantidad diaria de aire que pesa aproximadamente 5 veces más que todos los alimentos y agua que consume en un día, es fácil comprender la importancia de que este aire esté adecuadamente acondicionado para la salud y el bienestar.

En entornos industriales o comerciales, el acondicionamiento del aire puede ser vital no solo para el confort, sino también para preservar la salud de los empleados expuestos a calor, polvo, vapores, etc., y para garantizar la calidad de ciertos procesos de fabricación.

Composición del Aire

El aire atmosférico es una mezcla mecánica de gases y vapor de agua. Sus componentes principales (en aire seco, por volumen) son aproximadamente:

• Nitrógeno (N₂): 78%
• Oxígeno (O₂): 21%
• Argón (Ar): 0.9%
• Dióxido de Carbono (CO₂): ~0.04% (variable)
• Otros gases (Neón, Helio, etc.): Trazas
• Vapor de Agua (H₂O): Cantidad variable (0-4% típicamente)

Para los cálculos en psicrometría (el estudio de las propiedades del aire húmedo), se suele distinguir entre:

• Aire Seco: La mezcla de gases sin el vapor de agua.
• Aire Húmedo: La mezcla natural de aire seco y vapor de agua.

Aunque el aire perfectamente seco no existe en la naturaleza, el concepto es útil para simplificar los cálculos. La cantidad de vapor de agua en el aire (humedad atmosférica) varía mucho según la ubicación geográfica, la altitud y las condiciones climáticas.

Características del Aire Relacionadas con la Humedad

Humedad

Presencia de vapor de agua en la atmósfera.

Aire Saturado

Aire que contiene la máxima cantidad de vapor de agua posible a una determinada temperatura y presión. Si se añade más vapor o se enfría, el exceso condensará.

Vapor Saturado

Vapor que se encuentra en equilibrio con su fase líquida a una temperatura y presión dadas (ej. vapor de agua a 100°C y 1 atm).

Vapor Sobrecalentado

Vapor que se encuentra a una temperatura superior a la de saturación (punto de ebullición) correspondiente a su presión.

Definición de Aire Acondicionado

Correctamente empleado, el término Aire Acondicionado significa controlar simultáneamente los siguientes parámetros del aire en un espacio interior:

1. Temperatura: Mantenerla dentro de un rango de confort (típicamente 18°C a 25°C, según la estación y la actividad).
2. Humedad Relativa: Controlarla para confort y salud (típicamente 35% a 65%).
3. Pureza: Filtrar el aire para eliminar contaminantes (objetivo >98% de eficiencia para ciertas partículas).
4. Circulación y Distribución: Asegurar un movimiento adecuado del aire sin corrientes molestas.
5. Ventilación: Introducir aire exterior fresco para diluir contaminantes interiores y reponer oxígeno.

Tipos de Sistemas de Aire Acondicionado

Los sistemas de aire acondicionado se pueden clasificar de diversas formas. Una clasificación común es:

I. Tipo Residencial / Comercial Ligero:

1. Sistema Unitario Compacto (Equipo de Ventana): Todos los componentes (compresor, condensador, evaporador, ventiladores) están alojados en una sola carcasa que se instala en una ventana o muro.
2. Sistema Dividido (Split): El sistema se divide en dos unidades principales:
   • Unidad Interior (Evaporadora): Contiene el evaporador, ventilador interior, filtro y controles. Se instala dentro del espacio a acondicionar.
   • Unidad Exterior (Condensadora): Contiene el compresor, condensador y ventilador exterior. Se instala fuera del edificio.
   Ambas unidades están conectadas por tuberías de refrigerante y cableado eléctrico.

II. Tipo Comercial / Industrial:

1. Sistema Centralizado de Expansión Directa (DX): Similar a un split grande, donde una o varias unidades condensadoras exteriores sirven a una gran unidad interior (Unidad Manejadora de Aire – UMA o AHU) que trata y distribuye el aire a través de conductos. El refrigerante se expande directamente en el serpentín de la UMA. También incluye sistemas tipo Paquete o Rooftop (RTU).
2. Sistema Centralizado de Agua Helada (Chiller): Utiliza un equipo central (Chiller) para enfriar agua (o una mezcla agua-glicol). Esta agua fría se bombea a través de tuberías a unidades terminales (Fan Coils, UMAs) ubicadas en las zonas a acondicionar, donde enfrían el aire.

Descripción de Sistemas Comunes

Sistema Unitario Compacto (Equipo de Ventana)

Este sistema se caracteriza por ser una unidad autónoma. Contiene el circuito completo de refrigeración (compresor, condensador, tubo capilar como expansión, evaporador). Lleva un filtro de aire y un motor de ventilador de doble eje: un ventilador centrífugo (Sirocco) impulsa el aire interior a través del evaporador, y un ventilador helicoidal (axial) impulsa aire exterior a través del condensador. Tanto el evaporador como el condensador son serpentines de tubos aletados enfriados por aire forzado. Todo el conjunto está contenido en un gabinete metálico.

Sistema Split (Separado)

Este sistema es muy popular y se utiliza cuando la habitación a acondicionar no tiene una pared exterior adecuada para un equipo de ventana, o cuando se desea mayor flexibilidad de instalación y menor ruido interior. Consiste en:

• Unidad Interior (Gabinete Interior): Contiene el serpentín evaporador (tubo aletado), un ventilador (generalmente tangencial o centrífugo), filtro de aire y controles. Puede tener diversas formas (mural, de techo, de suelo, tipo cassette, para conductos).
• Unidad Condensadora (Exterior): Contiene el compresor, el serpentín condensador (tubo aletado) y un ventilador (generalmente helicoidal/axial). Se ubica en el exterior.
• Líneas de Refrigerante: Tuberías de cobre aisladas (línea de líquido y línea de succión) que conectan ambas unidades. Su longitud puede variar (típicamente de 3 a 20 metros o más, según el equipo).
• Cableado de Interconexión: Para alimentación eléctrica y señales de control.

Unidad Interior (Mural)

Unidad Condensadora (Exterior)

Muchos sistemas split modernos son bombas de calor, capaces de proporcionar tanto refrigeración en verano como calefacción en invierno invirtiendo el ciclo de refrigeración mediante una válvula inversora.

Sistema Centralizado de Expansión Directa (DX)

Este sistema recibe su nombre porque el refrigerante se expande y evapora directamente en el serpentín que enfría el aire que se distribuirá. Las Unidades Manejadoras de Aire (UMAs) o los equipos tipo Paquete (Rooftop) contienen los componentes necesarios:

• Serpentín evaporador (DX)
• Dispositivo de expansión (Válvula de Expansión Termostática – VET o TXV)
• Ventilador de suministro de aire
• Filtros de aire
• Opcionalmente: serpentín de calefacción (eléctrico, gas, agua caliente), humidificadores, etc.

La UMA se conecta a una red de conductos que distribuyen el aire tratado a las diferentes zonas o habitaciones a través de difusores o rejillas. También suele haber conductos de retorno para extraer el aire del local y devolverlo a la UMA (mezclándolo con aire exterior de ventilación).

Esquema simplificado de un Sistema Centralizado DX con UMA y conductos.

Componentes de un sistema centralizado.

Sistema Centralizado de Agua Helada (Chiller)

En este sistema indirecto, el enfriamiento primario ocurre en el Chiller, que es una máquina frigorífica diseñada para enfriar un líquido (generalmente agua).

• El Chiller contiene el compresor, condensador (enfriado por aire o agua), dispositivo de expansión y el evaporador, que es un intercambiador de calor donde el refrigerante enfría el agua que circula por él.
• El agua fría (típicamente a 6-7°C) se bombea a través de una red de tuberías aisladas hacia las unidades terminales.
• Las Unidades Terminales (Fan Coils o UMAs) contienen un serpentín por donde circula el agua fría y un ventilador que impulsa el aire del local a través del serpentín, enfriándolo.
• El agua, al enfriar el aire, se calienta (típicamente a 11-12°C) y retorna al Chiller para ser enfriada nuevamente, cerrando el circuito hidráulico.

Los Fan Coils se ubican en las habitaciones a acondicionar y suelen ser controlados por un termostato local, que puede actuar sobre el ventilador y/o una válvula que regula el flujo de agua fría al serpentín.

La calefacción en invierno se puede lograr haciendo circular agua caliente (producida por una caldera) por el mismo serpentín del Fan Coil (sistemas a 2 tubos con cambio estacional o sistemas a 4 tubos) o mediante resistencias eléctricas incorporadas en el Fan Coil.

Consideraciones sobre el Enfriamiento del Aire para Confort

Cuando se acondiciona el aire de un edificio para mejorar la comodidad y conservar la salud de sus ocupantes, es importante no enfriar excesivamente el ambiente respecto a la temperatura exterior.

• Una diferencia de temperatura de hasta 10°C (o incluso menos) entre el interior y el exterior suele ser suficiente para proporcionar confort en verano, especialmente si se controla adecuadamente la humedad.
• Diferencias muy grandes de temperatura pueden causar choque térmico al entrar o salir del edificio y no son necesariamente más confortables ni saludables.

El cuerpo humano genera calor constantemente (metabolismo) y necesita disiparlo al ambiente para mantener su temperatura interna (~37°C). Esta disipación ocurre por convección, radiación y evaporación (sudoración).

• Si la temperatura ambiente es muy alta (cercana o superior a 37°C), la pérdida de calor por convección y radiación se dificulta, y la evaporación se convierte en el principal mecanismo.
• La humedad del aire afecta significativamente la capacidad de evaporación del sudor. Aire muy húmedo dificulta la evaporación, haciendo que la sensación de calor sea mayor (bochorno).

Por lo tanto, las condiciones de confort térmico dependen de una combinación adecuada de:

• Temperatura del aire (Temperatura de bulbo seco)
• Humedad relativa
• Velocidad del aire
• Temperatura radiante media de las superficies circundantes
• Nivel de actividad de las personas
• Vestimenta

Un sistema de aire acondicionado efectivo controla tanto la temperatura como la humedad para lograr el confort deseado.

Cuestionario Nº 7

ESTIMADO ALUMNO:

Este cuestionario tiene por objeto que Ud. mismo compruebe la evolución de su aprendizaje. Una vez que ha respondido todo el cuestionario compare sus respuestas con las que están en la hoja siguiente.

Si notara importantes diferencias le sugerimos vuelva a estudiar la lección. Conserve en su carpeta todas las hojas, para que pueda consultarlas en el futuro.

1. La corriente trifásica distribuida comúnmente está formada por cuatro conductores llamados:
2. En la conexión estrella de un motor alimentado por una línea trifásica de 380 V (entre fases), cada bobina queda sometida a una tensión de:
3. El aire atmosférico está compuesto principalmente de (mencione los 3 componentes mayoritarios, incluyendo el variable):
4. Correctamente empleado, el concepto de aire acondicionado significa controlar (mencione al menos 4 parámetros):
5. En un sistema de aire acondicionado tipo Split con bomba de calor, funcionando en modo refrigeración (verano), el serpentín de la unidad exterior actúa como:
6. ¿Con qué tipo general de fluidos trabajan los sistemas de aire acondicionado por compresión de vapor?

Respuestas Nº 7

1. Tres Fases (R, S, T) y Neutro (N).
2. 220 Volts (aproximadamente, 380 V / √3).
3. Nitrógeno, Oxígeno y Vapor de agua (cantidad variable).
4. Temperatura, Humedad, Pureza (filtración), Circulación/Distribución (y Ventilación).
5. Condensador.
6. Fluidos Refrigerantes (ej. HFC como R-410A, R-134a, R-32; HFO; históricamente CFC como R-12 y HCFC como R-22).