I.
INTRODUCCION Un sistema de refrigeración se utiliza para mantener una región del
espacio a una temperatura inferior a la del ambiente. El fluido de trabajo utilizado en el sistema puede permanecer perma necer en una sola fase (refrigeración por p or gas) o puede cambiar de fase (refrigeración por compresión de vapor). La refrigeración suele asociarse a la conservación de los alimentos y al acondicionamiento de aire de edificios. Las bombas de calor, es capaz tanto de enfriar como de calentar con la misma instalación, utilizándose popularmente en edificios residenciales y comerciales. Se puede establecer que la misión del aire acondicionado es la realización de determinadas funciones destinadas a proporcionar durante todo el año, el confort térmico y la calidad del aire interior para la vida de las personas o el mejoramiento de los diferentes procesos industriales. Como mínimo, las instalaciones deben efectuar los siguientes procesos básicos: Control de temperatura y humedad, Ventilación y calidad del aire interior, Filtrado y Circulación. Como introducción al tema de ciclos de refrigeración por compresión de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilización como ciclo de referencia para evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por compresión de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeración bajo el esquema de los ciclo termodinámicos.
II.
OBJETIVOS Describir los diferentes dispositivos termodinámicos que componen a los ciclos de refrigeración. Estudiar los ciclos de refrigeración por compresión de vapor simple y sus modificaciones. Definir las principales diferencias entre los ciclos reales e ideales y las causas que las provocan. Estudiar el ciclo de refrigeración por absorción de amoniaco
III. 2.1.
FUNDAMENTO TEORICO Definición Los
denominados sistemas
frigoríficos o sistemas
de
refrigeración corresponden a arreglos mecánicos mecán icos que utilizan propiedades pro piedades termodinámicas de la materia para trasladar energía trasladar energía térmica en forma de calor entre dos o más focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para
disminuir
la temperatura la temperatura del
producto
almacenado
en
cámaras
frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos de alimentos o compuestos químicos, conforme químicos, conforme especificaciones. Cabe mencionar la radical diferencia entre un sistema frigorífico y un circuito un circuito de refrigeración, siendo este último un mero arreglo para disminuir temperatura el cual se define como "concepto", ya que su diseño (abierto, semi abierto, cerrado), fluido cerrado), fluido (aire, agua, incluso gas refrigerante), flujo (sólo frío o "bomba de calor") calor" ) varían conforme la aplicación. Los sistemas frigoríficos tienden a ser bastante más complejos que un circuito de refrigeración y es por eso que se presentan aparte. En el estudio acabado y diseño de estos sistemas frigoríficos se aplican diversas ciencias, tales como la química, en química, en las propiedades y composición de los refrigerantes; los refrigerantes; la termodinámica, la termodinámica, en el estudio de las propiedades de la materia y su energía interna;
la transferencia de calor, en el estudio
de intercambiadores de calor y soluciones técnicas; así como la ingeniería mecánica, en el estudio de compresores de gas para lograr el trabajo de compresión requerido. Se han mencionado estas disciplinas dejando de lado la electricidad, desde los tradicionales conocimientos en corrientes trifásicas para la alimentación de los equipos, hasta conocimientos relativamente avanzados en automatización y PLC, para el control automático que estos requieren cuando están operando en planta frigorífica. Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí conforme su método de inyección de refrigerante y configuración constructiva, ambos condicionados por sus parámetros de diseño. De esta manera, y haciendo un adecuado balance de masas y energías, es posible encontrar la solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica.
2.2.
Tipos de ciclos El modo más utilizado para el enfriamiento artificial de espacios cerrados,
se consigue mediante los métodos de compresión y de absorción. El método por compresión es el más utilizado, puesto que el método por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barata, como en la trigeneración.
a) Ciclo ideal de refrigeración por compresión En este ciclo de refrigeración el refrigerante se evapora y se condensa, comprimiéndolo, alternativamente para luego volver a la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos:
Compresión isentrópica en un compresor.
Disipación de calor a presión constante en un condensador.
Estrangulamiento
en
un dispositivo
de
expansión y
evaporación. Absorción de calor a presión constante en un evaporador.
consiguiente
De acuerdo a los procesos anteriores, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado de la disipación de calor hacia el entorno. El refrigerante, como líquido saturado en el estado 3, se dilata hasta la presión del evaporador al pasar por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra en el evaporador en el estado 4 como vapor húmedo de baja calidad y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor completando el ciclo.
b) Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de son la fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la reacción.
c) Sistemas de refrigeración en cascada Un ciclo de refrigeración en cascada consiste en efectuar el proceso de refrigeración por etapas, es decir, dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior.
Suponiendo que el intercambiador de calor está bien aislado y que las energías cinéticas y potenciales son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. En el sistema de cascada los refrigerantes en ambos ciclos se suponen iguales. (a agua vai com muito vapor) pongo entre paréntesis las 6 palabras en portugués que se deben haber "colado" por error
d) Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. El proceso de compresión en este sistema es similar a una compresión de dos etapas, entonces el trabajo del compresor disminuye.
e) Sistemas de refrigeración de usos múltiples con un solo compresor Algunas aplicaciones requieren refrigeración a
más de una
temperatura. Esto puede lograse con una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes, sin embargo un modelo más práctico es enviar todos los flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo.
f) Sistemas de refrigeración por absorción Otra forma de refrigeración cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a unas temperaturas entre 80 y 200 °C es la refrigeración por absorción. El principio de funcionamiento es semejante al ciclo de compresión: el refrigerante absorbe calor al evaporarse y después se condensa para recomenzar el ciclo, pero la diferencia estriba en que en vez de un compresor, como su nombre indica, en estos sistemas de refrigeración el ciclo se cierra mediante la absorción del refrigerante por un medio de transporte (o absorbente) y posterior separación de la disolución por medio
del calor para recomenzar el ciclo. Los ciclos de refrigeración por absorción frecuentes son:
Amoniaco-agua,
donde
el amoniaco (NH3)
sirve
como
refrigerante
y
el agua (H2O) es el absorbente.
Agua-bromuro de litio, donde el agua (H 2O) sirve como refrigerante y el bromuro de litio (LiBr) como absorbente, siendo este sistema el que mejores rendimientos tiene, aunque tiene el inconveniente de que no puede funcionar a menos de 0 °C (temperatura de congelación del agua, el refrigerante), lo que no obsta para los sistemas de refrigeración de espacios habitados.
2.3. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso i nverso no sucede por si solo (principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la
segunda
ley
requiere
de
dispositivos
especiales
conocidos
como
refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. En este caso QSum es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura Tsum, Qced es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la temperatura Tced y Wneto, es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analizó, Qsum y Qced representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas. Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo. El desempeño de los refrigeradores y de las bombas
de calor se expresa en los términos de coeficiente de operación (COP), el c ual se define como: COP =
COP =
=
=
EFECTO DE ENFRIAMIENTO
EFECTO DE CALENTAMIENTO
=
=
Qsum ,
Qced ,
Para valores fijos de QL y QH. Esta relación implica que COPBC f1 puesto que COPR es una cantidad positiva, es decir, una bomba de calor funcionará en el peor de los casos, como un calentador de resistencia. La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua líquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas.
Maquinas Frigoríficas (Refrigeradores): Definición: Son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denominare refrigerante. El ciclo de refrigeración que se utiliza con más frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Estos dispositivos están provistos de cuatro componente principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un refrigerador que conforman el ciclo termodinámico por los cuales circula el fluido de trabajo (refrigerante).
Elementos Principales de las Maquinas Frigoríficas:
Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante, que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría.
Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo. El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas.
Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento.
Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador.
Refrigeración
Maquinas Frigoríficas
bomba de calor
Refrigerantes: La siguiente tabla proporciona las siglas o formas abreviadas de los nombres de muchos fluidos refrigerantes usados en la actualidad.
Aplicaciones Las aplicaciones de refrigeración son entre muchas: Las aplicaciones en espacios habitados, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio. Las aplicaciones medicamentos u otros productos que se degraden con sus chupadas. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos. Los procesos
industriales que
requieren
reducir
la
temperatura
de
maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear. La criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas. Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. El líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero. Máquinas-herramientas:
las
máquinas
herramientas
también
llevan
incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente, Aparatos electrónicos: la mayoría de los aparatos electrónicos requieren refrigeración, que generalmente consiguen mediante un ventilador, que hace circular el aire del local donde se sitúan, y otras veces sencillamente haciendo circular el aire por convección.
1. En un ciclo de refrigeración por compresión de un vapor que opera con tetrafluoroetano (refrigerante R –134a) se sabe que este último entra en el compresor a –10 [°C], 2 [bar] y h = 241 [kJ/kg], sale a 16 [bar] y h = 295 [kJ/kg]. Sabiendo que entra a la válvula de expansión con una entalpia específica de 134 [kJ/kg], determine: a) Los calores referidos a la unidad de masa en el evaporador y en el condensadorenfriador. b) La potencia del compresor si el gasto másico fue 15 [kg/s]. c) El coeficiente de operación del ciclo. a) Sistema: refrigerante R –134a. {q}evap = h1 – h4 = (241 – 134) [kJ/kg] {q}evap = 107 [kJ/kg] {q}cond = h3 – h2 = (134 – 295) [kJ/kg] {q}cond = – 161 [kJ/kg] b) {W} = {W
} t ; {w} =
m {W} {W} = {w} m {W} {w} m comp comp
; por otra parte: {q}ciclo + {w}ciclo = 0 ;
{q}evap + {q}cond + {w}comp = 0 ; {w}comp = – {q}evap – {q}comp {w}comp = – (107 [kJ/kg] ) – ( – 161 [kJ/kg] ) = 54 [kJ/kg] ; comp {W
} (54 000 [J/kg] ) (15 [kg/s] ); comp {W
} = 810 000 [W]
c) B =lo que hay que aportar / lo que se desea = | w | evap / | q | comp = 54[kJ / kg] / 107[kJ / kg] ; B = 1.9815 [1]
2) Un ciclo sencillo de refrigeración que utiliza amoníaco como sustancia de trabajo, necesita mantener un espacio refrigerado a 0°C. El ambiente que rodea al condensador está a 38°C. Considere vapor saturado a la entrada del compresor y líquido saturado a la salida del condensador.
La eficiencia adiabática del compresor es el del 100%. Determine el coeficiente de realización de este ciclo.
Haciendo volumen de control en el mezclador
3) Considere un ciclo ideal de refrigeración que utiliza Freón-12 como fluido de trabajo. El ciclo está formado por dos lazos, uno de potencia y el otro de refrigeración. Vapor saturado a 105°C deja la caldera y se expande en la turbina a la presión del condensador. Vapor saturado a -15°C deja el evaporador y es comprimido a la presión del condensador. La relación de flujos a través de los dos lazos es tal que la potencia producida por la turbina es justa la potencia para mover el compresor. Líquido saturado a 45°C deja el condensador y se divide en proporciones necesarias. Calcule: a) La relación de flujos másicos a través de los dos lazos b) El coeficiente de realización del ciclo en términos de la relación
Hacemos volumen de control a la turbina y compresor
Para la bomba
Para el evaporador
Para la caldera
IV.
CONCLUSIONES Un sistema de refrigeración se utiliza para mantener una región del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente. El fluido de trabajo utilizado en el sistema puede permanecer en una sola fase (refrigeración por gas) o puede cambiar de fase (refrigeración por compresión de vapor). La refrigeración suele asociarse a la conservación de los alimentos y al acondicionamiento de aire de edificios. Las bombas de calor, es capaz tanto de enfriar como de calentar con la
misma
instalación,
utilizándose
popularmente
en
edificios
residenciales y comerciales. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes.
V. RECOMENDACIONES Utilizar un sistema de refrigeración para mantener una región del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente. Asociar la refrigeración a la conservación de los alimentos y al acondicionamiento de aire de edificios. Utilizar las bombas de calor, para enfriar o calentar y así alargar la vida útil de los alimentos.
VI. BIBLIOGRAFIA https://shiryudragon.wordpress.com/corte-iii/temas/ciclo-derefrigeracion. http://dcb.fic.unam.mx/users/rigelgl/Web_PTE/Tareas_archivos/S erie_T4.pdf file:///E:/Serie_T4.pdf. http://es.scribd.com/doc/129872056/Ejercicio-resuelto-de-cicloreal-de-refrigeracion#scribd
