Ciclo de Refrigeración por compresión compres ión de vapor Por Vianey Karina Maximino Magaña Materia : Termodinámica
Objetivos: Conocer el funcionamiento de cada uno de los equipos principales q conforman el ciclo de refrigeración por compresión de vapor . Conocer el calculo del COP (coeficiente de funcionamiento).
Introducción: La utilización del frío es un proceso muy antiguo. En el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco)etc, hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío.
Una de la principales áreas aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia otra región con una temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración por comprensión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor .
Dispositivos: El calor fluye en dirección de las temperaturas decrecientes; esto es de las regiones de alta temperatura a las de baja. En la naturaleza este proceso de transferencia de calor sucede sin intervención de ningún dispositivo. El proceso inverso, la transferencia de calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.
Refrigeradores: Son dispositivos cíclicos que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura, los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. Bombas de calor: Dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura. Estos dos dispositivos son en esencia los mismos, pero difieren en objetivos; el de un refrigerador es mantener el espacio “refrigerado” a una temperatura baja, y extraer el calor de él.
Mientras que el objetivo de la bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura. Esto se logra al absorber calor de una fuente de baja.
Coeficiente de funcionamiento (COP) El desempeño de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en términos del coeficiente de funcionamiento COP (por sus siglas en ingles coefficient of performance) definido como : COPR= salida deseada/entrada requerida = efecto de enfriamiento/ entrada de trabajo =QL/W neto entrada COPBC= salida deseada/entrada requerida =efecto de calentamiento/entrada de trabajo =QH/W neto entrada
COPR y COPBC pueden ser mayores que uno. Una comparación de COPR y COPBC revela que : COPBC=COPR+1 La capacidad de enfriamiento (la carga de refrigeración) de un sistema de refrigeración, es decir la tasa o la rapidez de calor extraído del espacio. Se expresa en toneladas de refrigeración . Una tonelada de refrigeración equivale a 211KJ/min o 200Btu/min.
Ciclo invertido de Carnot Antes de comenzar con el ciclo de refrigeración por comprensión de calor debemos de ver el ciclo invertido de Carnot, ya que sirve como un estándar contra el cual se comparan los ciclos reales de refrigeración. El ciclo de Carnot es totalmente reversible que se comprende de dos procesos isotérmicos y reversibles y de dos procesos isoentrópicos. Tiene la máxima eficiencia térmica para determinados limites de temperatura sirve
Puesto que es un ciclo reversible los cuatro procesos que comprenden el ciclo de Carnot se pueden invertir. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de todas las interacciones térmicas y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria de las manecillas del reloj y se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot recibe el nombre de refrigerador de calor Carnot.
El ciclo en… Dentro de la campana de saturación de un refrigerante: 1) El refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura a TL en la cantidad de QL (proceso de 1-2). 2) Se comprime isotérmicamente hasta el estado 3 (donde la temperatura aumenta hasta TH). 3) Rechaza calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a TH en la cantidad de QH (proceso 3-4). 4) Se expande isoentropicamente hasta el estado 1(la temperatura desciende hasta TL). El refrigerante cambia de un estado de vapor saturado a un estado de liquido saturado en el condensador durante el proceso 3-4.
Esquema de un refrigerador de Carnot:
Evaporador El evaporador opera como intercambiador de calor, que genera la transferencia de energía térmica, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía, cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.
Evaporador tipo serpentín aleteado en el interior de un aire acondicionado.
Compresor Máquinas térmica que trabaja entregándole energía a un fluido compresible. Ésta energía es adquirida por el fluido en forma de energía cinética y presión (energía de flujo).
Condensador Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición.
Turbina Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas o .álabes
Coeficientes de funcionamiento de los refrigeradores y bombas de Estos coeficientes se expresan en terminos de la calor de Carnot temperatura como : COPR.Carnot = 1/(TH/TL)-1
y
COPBC.Carnot = 1/1-(TL/TH) Donde el COP en ambos dispocitivos aumenta conforme decrece la diferencia de las temperaturas: a medida q TL aumenta o TH
El ciclo invertido de Carnot es el ciclo de refrigeración mas eficiente que opera entre dos niveles específicos de temperatura, por eso es considerado un ciclo ideal.
Procesos isoentrópicos El ciclo invertido de carnot es un modelo inadecuado para lo ciclos de refrigeración. Los dos procesos isoentrópicos de trasferencia se no son difíciles de alcanzar en la practica, porque al mantener una presión constante se fija de manera automática la temperatura de una mezcla de dos faces en el valor de saturación por consiguiente el proceso de 1-2 y de 3-4 pueden ser aproximados en los evaporadores y condensadores reales.
Sin embargo 2-3 y 4-1 no pueden aproximarse lo suficiente en la practica debido a que los procesos 2-3 incluyen la comprensión de una mezcla líquido –vapor que requiere un compresor que manejará dos fases, y los procesos 4-1 implican la expansión de un refrigerante con alto contenido de humedad. Al ejecutar ciclo invertido de carnot en la región de saturación se “eliminarían” estos problemas. Pero en se encuentran dificultades para mantener las condiciones isotérmicas durante los procesos de absorción y rechazo de calor.
Ciclo ideal de refrigeración por comprensión de vapor El ciclo ideal de refrigeración por comprensión de vapor es el mas empleado en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y de bombas de calor. Se remonta al año 1834 con el ingles Jacob Perkins Con este ciclo se pueden eliminar aspectos imprácticos del ciclo invertido de carnot. El ciclo consiste en evaporar el refrigerante
Ciclo real de refrigeración por comprensión de vapor
Este ciclo de compone de procesos:
los siguientes
1) compresión isoentrópica compresor (de 1- 2).
en un
2) Rechazo de calor a presión constante en un condensador (de 2-3). 3) Estrangulamiento en un dispositivo de expansión (de 3-4). 4) Absorción de calor a presión constante
Esquema del ciclo ideal de refrigeración por comprensión de vapor
Válvula de expansión Es un tipo de Dispositivo de expansión (un elemento de las máquinas frigoríficas por compresión) en el cual la expansión es regulable manual o automáticamente.
Este ciclo no es un ciclo internamente reversible, puesto que incluye un proceso irreversible que es el estrangulamiento. Sus cuatro componente son dispositivos de flujo estable, por lo que pueden analizarse como procesos de flujo estable. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación del trabajo y el calor, en consecuencia, pueden ignorarse.
es:
Por tanto la ecuación de energía de flujo estable (qe-qs)+(we-ws)=hs-he
Calculo de la COP en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de novapor El condensador y el evaporador implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. La COP es: COPR=qL/W neto entrada=(h1-h4)/(h2-h1)
y
COPBC=qH/W neto de entrada=(h2-h3)/(h2-h1) Donde: h1=hg a condiciones de P1 y h3=hf a condiciones de 3
