...................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................
I.
OBJETIVOS ........................................................................................................................ ....................................................................................................................... 2 2.1.
OBJETIVO GENERAL ............................................................ ............................................................................................. ................................. 2
2.2.
.................................................................................... ...................... 2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ESPECIFICOS ..............................................................
II.
....................................................................................................... ............................................. 2 MARCO TEORICO ..........................................................
2.3.
PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN. ....... 2
3.1.
REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR ......................................... 3
3.1.1.
Transferencias más importantes de trabajo y calor ............................................. ............................................. 3
3.2.
EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR 5
3.3.
CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR ........ ........ 8
3.3.1.
Influencia de las irreversibilidades en el compresor. ....................................... 9
3.3.2.
Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. ..................................... 9
3.3.3.
Influencia de las irreversibilidades en el condensador. ................................... 9
III.
CONCLUSIONES ......................................................................................................... ........................................................................................................ 10
IV.
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... .......................................................................................................... 10
REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR
INTRODUCCIÓN La refrigeración se emplea para extraer calor de un recinto, disipándolo en el medio ambiente. Como esta puede ser también la definición del enfriamiento común, precisaremos un poco más: se dice que hay refrigeración cuando la temperatura deseada es menor que la del ambiente. En este aspecto un equipo frigorífico funciona como una bomba de calor, sacando calor de la fuente fría y volcándolo a la fuente cálida: aire, agua u otro fluido de enfriamiento. Es de gran importancia en la industria alimentaria, para la licuación de gases y para la condensación de vapores. Hay muchos ejemplos de usos
comerciales o industriales de de la refrigeración, incluyendo la separación de los
componentes del aire para la separación de oxígeno y de nitrógeno líquidos, la licuefacción del gas natural y la producción de hielo.
1
I.
OBJETIVOS
2.1.
OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de los ciclos termodinámicos de sistemas de Refrigeración por compresión de vapor
2.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Describir los diferentes dispositivos termodinámicos que componen a los ciclos de refrigeración.
Estudiar los ciclos de refrigeración por compresión de vapor simple
II.
MARCO TEORICO
2.3.
PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN. 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.
2
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. (Calderón, 2006)
Fuente: (Calderón, 2006)
3.1.
REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son los más utilizados actualmente. El objeto de esta sección es conocer algunas de las características más importantes de este tipo de sistemas y modelizar termodinámicamente los mismos. (Rodriguez, 2003)
3.1.1. Transferencias más importantes de trabajo y calor Se considera que sistemas con compresión de vapor presentado en la figura 3.3 opera en situación estacionaria. En la figura se muestran las transferencias más importantes de calor y trabajo, las que se toman como positivas en la dirección de las flechas. Las energías cinética y potencial se ignoran; y el análisis se inicia por el evaporador, donde se produce el efecto frigorífico deseado.
3
El calor transferido desde el espacio refrigerado al refrigerante, a su paso por el evaporador, produce su evaporación. Para el volumen de control que incluye el evaporador, los balances de masa y energía dan el calor transferido por unidad de masa de refrigerante.
El refrigerante deja el evaporador y es comprimido a una presión relativamente alta por el compresor. Asumiendo que este opera adiabáti camente, los balances de masa y energía, para el volumen de control que incl uye al compresor, dan la ec:
Después, el refrigerante pasa a través del condensador, donde condensa y hay una transferencia de calor desde el refrigerante al medio que lo enfría. Para el volumen de control que incluye al condensador el calor transferido desde el refrigerante por unidad de masa de refrigerante es:
Finalmente, el refrigerante en el estado 3 entra en la válvula de expansión y se expande hasta la presión del evaporador. Este proceso se modeliza normalmente como un proceso de estrangulación por lo que:
La presión del refrigerante disminuye en la expansión adiabática irreversible, y va acompañada de un aumento de la entropía específica. El refrigerante sale del estado 4 como una mezcla de líquido y vapor.
En el sistema con compresión de vapor, el trabajo neto que recibe es igual al del compresor, ya que en la válvula de expansión no entra ni sale trabajo. Utilizando
4
las cantidades y expresiones introducidas antes, el coeficiente de operación del sistema de refrigeración por compresión de vapor.
(Calderón, 2006)
3.2.
EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot pueden ser eliminados al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima, y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o un tubo capilar. El ciclo que r esulta se denomina ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, y se muestra de manera esquemática y en un diagrama
T-s en la figura 11-3. El ciclo de refrigeración por
compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica en un compresor 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
5
(Cengel, 2012)
En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, 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 bastante 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 del rechazo de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendrá por encima de la temperatura de los alrededores. (Cengel, 2012)
El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo 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 al evaporador en el estado 4 como un 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. (Cengel, 2012)
Otro diagrama utilizado con frecuencia en el análisis de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor es el diagrama P-h (Cengel, 2012)
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En este diagrama, tres de los cuatro procesos aparecen como líneas rectas, y la transferencia de calor — en el condensador y el evaporador — es proporcional a la longitud de la curva del proceso correspondiente. Observe que a diferencia de los ciclos ideales analizados antes, el ciclo de refrigeración por compresión de vapor no es un ciclo internamente reversible puesto que incluye un proceso irreversible (estrangulamiento). Este proceso se mantiene en el ciclo para hacerlo un modelo más realista para el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor. Si el dispositivo de estrangulamiento fuera sustituido por una turbina isentrópica, el refrigerante entraría en el evaporador en el estado 4_ y no en el estado 4. En consecuencia, la capacidad de refrigeración se incrementaría y la entrada neta de trabajo disminuiría (por la cantidad de salida de trabajo de la turbina). Sin embargo, el reemplazo de la válvula de expansión por una turbina no es práctico, ya que los beneficios adicionales no justifican el costo y la complejidad que se generan. (Cengel, 2012)
Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a: (Cengel, 2012)
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El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor pueden expresarse como: (Cengel, 2012)
3.3.
CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura 2.3 por compresión de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. (Gómez, 2008)
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3.3.1. Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como: (Gómez, 2008)
3.3.2. Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de: (Gómez, 2008)
3.3.3. Influencia de las irreversibilidades en el condensador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del condensador para 9
tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante). (Gómez, 2008)
III.
CONCLUSIONES
En conclusión existen 4 dispositivos de refrigeración principales las cuales son las responsables de que un refrigerador funcione adecuadamente. Cada uno de estos tiene una función específica dentro del refrigerador.
Existen dos tipos de ciclos de refrigeración; una es la ideal y la otra la real, en la vida cotidiana la que está presente es la real en donde hay algunas diferencias en cuanto al ideal. Por ejemplo algunas condiciones irreversibles que se presentan en el real que casi no se presentan en uno que es ideal. La transferencia de calor desde el exterior y la caída de presión.
IV.
BIBLIOGRAFIA
Calderón, B. (2006).
Cengel, Y. (2012).
TERMODINÁMICA II. mexico: UNS.
TERMODINAMICA (Vol. Cuarta edicion). México, Santa Fe:
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
Ciclos de refrigeración. Mexico.
Gómez, C. (2008).
Rodriguez, J. (2003). INTRODUCCIÓN A LA TERMODINAMICA. Mexico.
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