METODOS DE REFRIGERACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Mecánica Departamento Académico de Ingeniería Aplicada

Refrigeración y Aire Acondicionado: METODOS DE REFRIGERACION Alumnos: Alcahuamán Villanueva, Hever Cutti Nuñez, Angel Profesor: Ravelo Chimioque, José Curso: Refrigeración y Aire Acondicionado (MN374) Sección: A Semestre: 2012-I

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14 de Abril de 2012 Lima - Perú

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

Refrigeración y Aire Acondicionado: METODOS DE REFRIGERACION

INDICE GENERAL

INDICE GENERAL................................................................................................................................... i METODOS DE REFRIGERACION ........................................................................................................... 2 1.

Introducción ............................................................................................................................ 2

2.

Elevación de la temperatura de un refrigerante ..................................................................... 2

3.

Cambio de fase ........................................................................................................................ 3

4.

Expansión de un líquido .......................................................................................................... 4

5.

Expansión de un gas perfecto en régimen permanente ......................................................... 5

6.

Proceso de vaciado.................................................................................................................. 7

7.

Expansión de un gas real ......................................................................................................... 8

8.

Procesos eléctricos .................................................................................................................. 9

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA


Facultad de Ingeniería Mecánica

METODOS DE REFRIGERACION 1. Introducción Conseguir bajar la temperatura por debajo del medio ambiente y mantenerla, para lograrlo se requiere la extracción de calor del cuerpo a refrigerar a baja temperatura. Para ello se explicara algunos procesos fundamentales usados en la refrigeración, estos procesos son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Elevación de la temperatura del refrigerante. Cambio de fase. Expansión de un líquido. Expansión de un gas perfecto. Proceso de vaciado. Expansión de un gas real. Procesos eléctricos.

La T se logra ya en el refrigerante Producen la baja temperatura por si mismos

2. Elevación de la temperatura de un refrigerante Producto Con el tiempo el producto disminuye su Tº

Sustancia Refrigerante el tiempo Qabs = Con m . Cp . (Tf-To)el Refrigerante aumenta su Tº El calor absorbido por el refrigerante es: (

)

(1)

Donde: m : masa en Kg. o caudal en masa en Kg/h Cp : calor especifico a presión constante en (Cal/kg)(ºC) Tf-To : elevación de temperatura del refrigerante.

2



3. Cambio de fase Se sabe que para cambiar de fase solida a liquida; liquida a vapor; solido a vapor necesita calor, puede tener una aplicación en la práctica de la refrigeración.

 Se denomina Fusión. Y el Q transferido es: “Calor de Fusión” Solido

Liquido

Ejemplo: Fusión de hielo

Ventaja  Uso del hielo es que la refrigeración se hace independiente del equipamiento.

Desventaja  Es la eliminación del agua.  No puede enfriar por debajo de 0ºC.

Solución: uso de solución salina.  Se denomina Vaporización. Y el Q transferido es: “Calor latente de vaporización” Liquido

Vapor

Es el más usado por el ciclo de compresión de vapor. Controla la presión a la que se realiza la vaporización.  Se denomina Sublimación. Y el Q transferido es: “Calor de sublimación” Solido

Vapor

Se realiza a presiones bajas con respecto a las dos anteriores. 3



Ejemplo: Hielo Seco (se sublima a -78ºC) La ecuación fundamental que expresa la cantidad de calor puesta en juego en un cambio de fase es: (2) Donde: m : masa en Kg. Del refrigerante Kg/h L : Variación de la entalpia (Cal/kg)(ºC) Q : Cantidad de calor puesta en juego, Cal/H.

4. Expansión de un líquido La expansión de un líquido origina el descenso de su temperatura. El descenso de temperatura es ligero si la sustancia permanece en estado líquido durante la expansión, pero apreciable si la expansión se realiza dentro de la región de mezclas liquido-vapor.

Gráfica 1. Diagrama temperatura-entropía mostrando las líneas de expansión de líquido

De la grafica: 1-2 : la expansión experimenta un descenso de temperatura. 4



3-4: considerando una expansión isoentrópico, resulta un pronunciado descenso de temperatura 3-4’: considerando una expansión irreversible y adiabático, la reducción de temperatura es tan grande como el caso isoentrópico.

5. Expansión de un gas perfecto en régimen permanente Es posible una reducción de temperatura cuando un gas perfecto se expande en régimen permanente. El descenso de temperatura puede ser despreciable, según la forma como se realice la expansión. Recordar:  Ecuación general de los gases PV=RT.  Los calores específicos. Cv =du/dT Cp =dh/dT.  La ecuación de la energía en un proceso en régimen permanente:

(3) Donde: V: Velocidad (m/s) gc : constante de gravedad J: Factor de conversión, 427 m-kg fuerza/Cal. Z: energía potencial, Cal/Kg masa. h: entalpia, Cal/Kg masa. q: Calor suministrado al sistema, Cal/Kg masa. w: trabajo realizado por el sistema, Cal/Kg masa. Los subíndices se refieren a las condiciones del sistema a la entrada y a la salida, respectivamente.

Los subíndices 1 y 2 se refieren a las condiciones del sistema a la entrada y a la salida, respectivamente.

Figura 1. Tubería con tabique para realizar un proceso de estrangulamiento

El proceso de estrangulamiento adiabático es un ejemplo de expansión de flujo permanente. El dispositivo para conseguir el estrangulamiento puede ser una tubería con un tabique, tal como se demuestra en la Figura 1. La ecuación de la energía en flujo permanente, despreciando las variaciones de energía potencial y cinética, es (4)

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El calor puesto en juego es nulo, porque se trata de un proceso adiabático y no se realiza ningún trabajo. Por lo tanto, la Ecuación (4) se simplifica ósea o también (

)

ósea

El proceso es; por lo tanto, a entalpía constante y sin que exista descenso alguno de temperatura. Consideremos ahora el caso en que no puede despreciarse la variación de energía cinética. Si la tubería tiene una sección recta uniforme, la velocidad en el punto 2 de la Figura 1 será mayor que en el punto 1. Esto puede verse escribiendo la ecuación de continuidad:

Las áreas y pueden suprimirse, puesto que son iguales. Aplicando la ecuación de los gases perfectos en 1 y 2,

Si la variación de temperatura no es predominante, el volumen específico debido a la reducción de presión entre 1 y 2.

es mayor que

,

Por consiguiente.

y al sustituir en la Ecuación (3), resulta

Esto demuestra que

Figura 2. Expansión a través de una turbina para reducir la temperatura de un gas

El proceso de estrangulamiento en una tubería de sección recta uniforme no se realiza precisamente a temperatura constate. El que se pueda o no desperdiciar la variación de energía cinética depende de la magnitud de las velocidades y de la precisión requerida.

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Si bien, el proceso de estrangulamiento de un gas perfecto no resulta efectivo para producir bajas temperaturas, en cambio, la expansión en régimen permanente realizando trabajo proporciona un notable descenso de temperatura. Si un gas perfecto se expande a través de un motor o turbina aislados como en la Figura 2 y la variación de la energía cinética es despreciable, la ecuación de la energía en flujo permanente [Ecuación (3)] se simplifica

Como el trabajo es positivo,

por consiguiente,

lo cual indica que hay un descenso de temperatura en el proceso. Este proceso de refrigeración es el fundamento del funcionamiento del ciclo de refrigeración por aire, usado frecuentemente en la aviación.

6. Proceso de vaciado Cuando un gas que llena un recipiente cerrado se expande hasta una presión más baja, reduce su temperatura. Cuando un gas a alta presión que llena una botella se escapa a una región de más baja presión, la temperatura desciende. El efecto inverso puede observarse permitiendo al aire atmosférico entrar en un recinto en el que se ha hecho el vacío. En un proceso de llenado, la temperatura del aire del recipiente, después que la presión se iguala, será más alta que la que tenía originalmente.

Figura 3. Proceso general del cual es un caso particular el proceso de vaciado

El proceso de vaciado no es ni de flujo permanente ni sin flujo. El proceso de vaciado es una simplificación del caso general mostrado esquemáticamente en la Figura 3. El dispositivo consiste en un tanque de almacenamiento en el que entra una masa de gas y otra sale. Los siguientes símbolos se definen para el proceso que se realiza durante un periodo de tiempo diferencial es la masa en quilogramos que entra durante el proceso, y son las masas en kilogramos dentro del tanque al principio y al fin del proceso, respectivamente.

Escribiendo para este caso la primera ley de la termodinámica, resulta:

o en símbolos, 7




(

)

(

)

(5)

La Ecuación (5) supone que cualquier energía debida al movimiento de la sustancia en el tanque al principio o al final se incluye en el término de la energía interna. La Ecuación (5) es la ecuación de la energía en su forma más general, y de ella se deducen las ecuaciones de la energía para los procesos en flujo permanente, sin flujo, de vaciado, y de llenado. En flujo permanente los términos y se anulen entre sí. En un proceso sin flujo, lo que conduce a la clásica ecuación del proceso sin flujo. Consideremos ahora el proceso de vaciado. Supongamos que el proceso es adiabático, que no se realiza trabajo, y que las energías potencial y cinética son despreciables. En el proceso de vaciado, La Ecuación (5) y se simplifica (6) Escribiendo la Ecuación (6) en forma diferencial, y designando con del contenido del tanque y la masa instantánea, ( Diferenciando (

)

) y sustituyendo (

Como

la energía interna instantánea

)

, (

)

(7)

En la Ecuación 7: y son positivos, y por lo tnato, uno o los dos términos siguientes debe ser negativos: o . Un valor negativo de indicará un progresivo descenso en la temperatura del contenido del tanque, mientras que un valor negativo de indicará que la temperatura del gas que sale es más baja que la del tanque. Ambos casos pueden presentarse en un proceso de refrigeración. Las anteriores relaciones se utilizan a veces en trabajos de ingeniería si bien este método de refrigeración tiene escasa importancia comercial.

7. Expansión de un gas real Cuando un gas real se expando, aunque permanezca constante la entalpía puede variar la temperatura. En la Sección 5 se demuestra que en un gas perfecto la temperatura permanece constante en un proceso a entalpía constante. En cambio en un gas real, la temperatura puede permanecer constante, disminuir o aumentar.

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El término que expresa la magnitud y el signo de variación de la temperatura se llama *Coeficiente Joule-Thomson*. Por definición, Coeficiente Joule-Thomson

( )

(8)

que es la variación de temperatura con respecto a la precisión en un proceso a entalpía constante. Las líneas típicas de entalpía constante en un diagrama presión-temperatura de un gas real se muestran en la Gráfica 2. La pendiente en un punto de líneas de entalpía constante de la Gráfica 2 es el coeficiente JouleThomson en el punto considerado. Se puede lograr que un gas experimente una transformación a entalpía constante haciéndolo pasar por un estrangulamiento. Como la presión disminuye en el estrangulamiento, el movimiento a lo largo de la curva de la Gráfica 2 es hacía la izquierda. Si el estrangulamiento ocurre desde el punto 1 hasta el punto 2, la temperatura aumenta. En el punto 2 la temperatura tiene un máximo y el coeficiente Joule-Thomson vale cero. Este punto se llama *Punto de inversión*. Si el estrangulamiento es de 2 a 3 o de 1 a 3, la temperatura desciende. Se hace uso de los valores positivos del coeficiente Joule-Thomson para la producción de gases tales como nitrógeno y oxígeno a baja temperatura (ver Gráfica 2).

Gráfica 2. Líneas de entalpía constante de un gas real

8. Procesos eléctricos Puede refrigerarse por métodos eléctricos o magnéticos de dos formas diferentes. Un método consiste en utilizar la orientación molecular bajo un campo magnético, y el otro en invertir el efecto de un termopar. El enfriamiento magnético es el método que se ha utilizado con más éxito para aproximarse al cero absoluto. Una sustancia con propiedades magnéticas especiales se somete a un campo 9



magnético. El campo magnético eleva la temperatura de la sustancia, pero el calor es extraído rápidamente por el helio que rodea a la sustancia y hierve a 1 °K. A continuación, se aísla térmicamente a la sustancia del helio y se aleja bruscamente el campo magnético. La temperatura de la sustancia desciende entonces a 0,001 °K, a esto se le conoce como *Refrigeración a baja temperatura*. Un termopar consiste en dos uniones interconectadas de metales diferentes. Cuando las uniones están a temperaturas diferentes, el circuito genera una fuerza electromotriz, lo que se conoce con el nombre de *Efecto Peltier*. El inverso puede también realizarse. Cuando se establece una f.e.m. en el circuito del termopar, aumentará la temperatura de una unión y disminuirá la otra. Instalando una batería de uniones calientes fuera de la habitación de la que quiere extraerse el calor, y una batería de uniones frías dentro, para absorber calor, resulta un acondicionador de aire. Este principio ha sido experimentado con éxito, pero todavía no existen en el mercado

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