1. CICLO DE REFRIGERACION CON GAS. En esta oportunidad se analizara el ciclo de refrigeración con gas , en este ciclo el fluido de trabajo permanece siempre como gas. Los ciclos de refrigeración con gas tienen un numero importante de aplicaciones, se utilizan para conseguir temperaturas muy bajas que permiten la licuación de aire y otros gases y para otras aplicaciones especificas tales como la refrigeración de las cabinas de aviones . El ciclo Brayton de refrigeración de gas , es mejor conocido como el ciclo de refrigeración de gas , por lo tanto explicaremos en primer lugar el ciclo de refrigeración de gas que utiliza un ciclo de Brayton inverso , el cual se puede observar en la siguiente (figura # 1 ) :
FIG #1. DIAGRAMA Ts CICLO BRAYTON DE REFRIGERACION. El ciclo Brayton de refrigeración, es el inverso del ciclo Brayton cerrado de potencia. Gracias a l a expansión adiabática de los gases puede utilizarse para producir un efecto de refrigeración . De la manera mas simple, se consigue utilizando un ciclo Brayton inverso. En la ( figura # 1 ) se muestra un diagrama Ts del ciclo Brayton inverso ideal. En primer lugar se comprime el gas isentropicamente desde el estado 1 al 2 , que esta a una temperatura relativamente alta comparada con la temperatura ambiente To. a continuación pasa por un cambiador de calor donde, en el limete , el gas puede enfriarse hasta la temperatura ambiente. ( En la practica el estado 3 puede estar unos 10 grados por encima del valor del ambiente ). El gas entra entonces a un dispositivo adiabático de expansión, como una turbina , donde se obtiene trabajo y el gas se enfria hasta la temperatura T 4, que esta considerablemente por
debajo de la temperatura TB de la región fría. Por tanto , desde la región fría se transfiere calor al gas en un cambiador de calor. En el caso ideal , la temperatura del gas aumentara hasta TB , que es también T1 en el ciclo . Se supone que en el ciclo ideal de refrigeración por gas, el fluido realiza el ciclo de forma internamente reversible. Funcionando en régimen estacionario, en ausencia de variaciones de energía cinetica y potencial , el balance energético para cada componente se reduce a : Ecuacion (1). Por lo tanto , las interacciones calor y trabajo de cada componente de la instalación , pueden evaluarse en función de las variaciones de entalpia durante el proceso. Ahora , consideramos el ciclo de refrigeración de gas, en la siguiente figura , (figura # 2 ).
FIG #2. CICLO DE REFRIGERACION DE GAS. En el ciclo de refrigeración de gas ( fig #2 ) , ocurre el siguiente proceso : El gas se comprime durante el proceso 1-2 . después se obtiene el gas a presión y a temperatura altas en el estado 2. Se enfria después a presión constante To al rechazar calor hacia los alrededores. Esto es segudio por un proceso de expansión, en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4. Por ultimo , el gas frio absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1.
Todos los procesos recientemente descritos son internamente reversibles , y el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas. En los ciclos reales de refrigeración de gas, los procesos de comprensión y expansión se desviaran de los isentropicos y T3 sera mas alta que To a menos que el intercambiador de calor sea infinitamente largo. En un diagrama T-s , el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor removido del espacio refrigerado, el área encerrada 1-2-3-4-1 representa la entrada neta de trabajo.esto se puede observar en la ( FIG #1). La relación de estas áreas es el COP para el ciclo, que se expresa como : Ecuacion (2). Donde :
El ciclo de refrigeración de gas se desvia del ciclo de CARNOT invertido debido a que los procesos de transferencia de calor no son isotérmicos , de hecho la temperatura del gas varia de manera considerable durante el proceso de transferencia de calor. En consecuencia los ciclos de refrigeración de gas tienen COP menores respecto de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor con relación al ciclo de Carnot invertido. A pesar de su bajo COP , los ciclos de refrigearacion de gas tienen dos características deseables .
Incluyen componentes simples mas ligeros ( que los hacen adecuados para el enfriamiento de aviones ) . Pueden incorporar regeneración ( por lo que son adecuados en la licuefacion de gases y en las aplicaciones criogénicas ).
2. CICLO DE REFRIGERACION POR CASCADA. En este caso estudiaremos una variante del ciclo básico de refrigeración por comprensión de vapor , que es el ciclo en cascada. Este ciclo permite el uso de un ciclo de comprensión de vapor cuando la diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es bastante grande. Existen aplicaciones industriales en las que se necesitan temperaturas bajas, comprendidas en el intervalo de -25 a -75 ( -10 a -100 ). La diferencia de temperaturas entre el condensador y el evaporador en este caso es grande. Por tanto la variación de la presión de vapor con la temperatura de saturación de un único refrigerante no se ajusta a los valores deseados para el evaporador y el condensador. Básicamente un ciclo en cascada es sencillamente un conjunto de ciclos de comprensión de vapor simples en serie, tal que el condensador de un ciclo de temperatura inferior proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor como se muestra en la (figura). Aunque solo se muestran dos unidades si es necesario , en la practica se utilizan tres o cuatro unidades en serie. Normalmente en cada ciclo individual se utiliza un refrigerante distinto, con objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión. Un ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas se muestra en la ( figura # ) . los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior ( ciclo B) . suponiendo que el intervalo de calor esta bien aislado y que las energías cineticas y potencial son desperdiciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. De modo que la relación de los flujos masicos en cada ciclo debe ser. ̇ (
)
̇ (
)
̇
Ecuacion (3). ̇
Ademas; ̇ ̇
̇ (
̇ ( )
) ̇ (
)
Ecuacion (4).
FIG # CICLO DE REFRIGERACION EN CASCADA DE DOS ETAPAS. En el sistema de cascada ilustrado en la anterior figura , los refrigerantes en ambos ciclos se suponen iguales. Por lo tanto los refrigerantes con características mas deseables pueden utilizarse en cada ciclo. En este caso , habría una curva de saturación independiente para cada fluido , y el diagrama T-s resultaría distinto para uno de los ciclos. Además es evidente que en el diagrama T-s , el trabajo del compresor disminuye y que la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como el resultado de las etapas en cascada. Por lo tanto el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeración. Algunos sistemas de refrigeración usan tres o cuatros etapas en cascada.
BIBLIOGRAFIA. 1. TERMODINAMICA, AUTOR: KENNETH WARK. CAPITULO 17 , CICLOS DE REFRIGERACION. SECCION 17.4 ( SISTEMA DE COMPRENSION DE VAPOR EN CASCADA Y MULTIETAPA , PAG : 884) Y SECCION 17.6 ( CICLO DE REFRIGERACION CON GAS , PAG : 892) . 2. TERMODINAMICA , AUTOR: YUNUS A CENGELY MICHEL A. BOLES. CAPITULO 11: CICLOS DE REFRIGERACION. SECCION 11-7 ( SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACION POR COMPRENSION DE VAPOR , PAG 630) . 3. [http://industriales.utu.edu.uy/archivos/mecanicageneral/Apuntes/TEMA11_refrigeracion.pdf ] refrigeración.
>
ciclos
de
