Unidad 4 Otros Sistemas de Refrigeración

Otros tipos de refrigeración. refrigeración.

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Unidad 4 Otros tipos de sistemas de refrigeración.

Aut A uto or: Gonzales Torres Eduardo

Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos Ingeniería Mecánica

N ombr e de la Asi g natura: natura: _refr _refrig ige eraci raci ón.

No. Control:

14080002

Nombre del Docente:

Periodo: AG A G OSTO-D I CI E M B R E 2017 2017

Semestre:

García Apellido Paterno

OCTAVO

Grupo:

Franco Apellido Materno

A

Felipe Nombre(s)

Otros tipos de refrigeración.

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Índice. 4.1 sistemas de refrigeración de adsorción

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4.2 Sistemas de refrigeración de absorción

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4.3 Sistemas de refrigeración por ciclo de aire

11 - 14

4.4 bomba de calor

15 - 18

4.5 criogenia

19 - 20


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4.1 Sistemas de refrigeración por adsorción. Sistemas de refrigeración por sorción fueron los primeros tipos de equipamientos utilizados para producir efecto frigorífico artificialmente. En comparación con los sistemas de refrigeración mecánica, los sistemas de refrigeración por sorción tienen el potencial de ayudar con el ahorro de energía si fuesen alimentados por calor residual de instalaciones industriales o con energía solar. Sistemas de refrigeración por sorción tienen un principio simple de operación, tienen pocas piezas móviles y por ende bajos costos de mantenimiento. Desarrollo

Refrigeración por adsorción Refrigeradores por sorción son similares a los de compresión mecánica, en el sentido que utilizan un condensador, un evaporador y en ciertas maquinas un dispositivo de expansión. La diferencia radica en la forma en que el refrigerante a baja presión del evaporador alcanza alta presión para ingresar al condensador. En los sistemas de sorción, la energía térmica es la fuerza motriz necesaria para alcanzar la presión del condensador, en vez del trabajo de compresión mecánica. El calor suministrado en los sistemas de sorción puede provenir de la combustión de gas natural, de calor residual, de fuentes geotérmicas o de energía solar. Los diferentes procesos de sorción que acontecen en máquinas de este tipo son; adsorción física solido-gas, adsorción química solido-gas y absorción liquido-gas. En este artículo serán presentados los principios básicos de la adsorción química.

Adsorción química solido-gas En la refrigeración por adsorción ocurre la adhesión de moléculas de un fluido (adsorbato) a una superficie sólida (adsorbente). La cantidad adsorbida depende de la temperatura o de la presión


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del adsorbente químico. La adsorción química tiene equilibrio mono variante y cada reacción tiene una condición de equilibrio (Oliveira, 2011).

Ciclo de refrigeración por adsorción y componentes El ciclo básico de adsorción para refrigeración o climatización no necesita ningún tipo de energía mecánica, pudiendo ocurrir apenas con una transferencia de calor con una fuente térmica. Un sistema de adsorción consiste de uno o varios adsorbentes sólidos (ubicados dentro de un reactor), de un condensador, de Revista Ingenio / Vol. 4 No 2 / I Semestre de 2012 / ISSN 2011-642X 9 Ingenierías un evaporador de una fuente de calor y de un sumidero de calor (Mauran, 1993), conforme es ilustrado en la Figura 1. El ciclo de adsorción de refrigerante inicia con el reactor cerrado rechazando calor QCS a un fluido frio para enfriar el adsorbente que esta a alta temperatura y alta presión (puntos A-B en la figura 1.b). El evaporador extrae calor Qe de un circuito de agua (o aire) utilizado para climatizar/refrigerar. Cuando la presión en el sólido alcanza la presión del evaporador Pe producto del descenso de su temperatura, el reactor es abierto y vapor de refrigerante que proviene del evaporador comienza a ser adsorbido, (puntos B-C). Después de un periodo pre-establecido, el adsorbente solido está impregnado de refrigerante. En ese instante el reactor es cerrado e inicia el intercambio de calor QHS con una fuente térmica (puntos C-D), aumentado la temperatura y presión en el sólido hasta alcanzar la presión del condensador Pc. Cuando es alcanzada la presión en el condensador el reactor es abierto y el refrigerante desorbido (puntos D-A) continua en dirección al condensador donde libera calor QC al ambiente y se condensa. El refrigerante condensado continúa hacia el evaporador para dar continuidad al ciclo. Para garantizar un proceso cuasi-estático de adsorción, son utilizadas más de dos cámaras (reactores) de adsorción.


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Rendimiento de sistemas de adsorción El coeficiente de desempeño de los sistemas de adsorción (también conocidos como bombas químicas o bombas de calor) es relativamente bajo teniendo como referencia una máquina térmica de Carnot. Algunos valores de COP característicos de estos sistemas están en la orden de la unidad, sin embargo pueden aprovechar calor residual a bajas temperaturas que en otras aplicaciones sería considerado un calor sin uso práctico o calor de desecho. Entre los factores que influencian el bajo COP de estos sistemas está la baja conductividad térmica de algunos adsorbentes sólidos entre ellos; Sílica Gel en la orden de 0.17 W m-1 K-1, 0.16 - 0.21 W m-1 K1 para la Zeolita, lo cual disminuye la transferencia de calor entre el fluido térmico y el lecho adsortivo. Actualmente se están utilizando la mezcla de algunos compuestos con adsorbentes para mejorar su conductividad térmica. Es el caso de grafito expandido con sales metálicas como el cloruro de calcio (ClCa2), Bromuro de Sodio (NaBr) entre otras, utilizadas como adsorbente en sistemas de refrigeración con amoniaco NH3 como refrigerante. La conductividad térmica de esos compuestos sólidos han alcanzado valores superiores a 15 W m-1 K (Tamainot-Telto, 1997) alcanzándose de este forma máquinas de adsorción más eficientes. En la Figura 2 son ilustrados algunos COP para sistemas de adsorción que utilizan diversos pares de trabajo, entre ellos carbón activado-Metanol, carbón activado-NH3, Sílica Gel-agua y algunas sales metálicas como el NaBr-NH3.


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Sistemas de adsorción operados por energía solar Sistemas de climatización alimentados por energía solar son una alternativa interesante para aprovechar esa energía gratuita e renovable que llega hasta nosotros, pues los picos de utilización de sistemas de aire acondicionado y losde insolación generalmente son coincidentes. El estudio y desarrollo de sistemas transformadores de calor por sorción, principalmente aquellos con capacidad de regeneración a baja temperatura, podría auxiliar en la reducción del consumo de energía en grandes instalaciones comerciales, como “ shopping centers” y locales con

climatización central. Países con irradiación media menor que Colombia, como Alemania y China, ya están muy avanzados en el estudio de máquinas que utilizan energía solar, pues percibieron la importancia de atender no solo el mercado interno sino en desenvolver tecnología y equipamientos destinados a importación. De igual forma, sistemas de refrigeración por sorción pueden ser utilizados para generar hielo, pudiéndose este utilizar para conservación de alimentos perecederos, vacunas, entre otros, siendo de gran ayuda para lugares habitados sin disponibilidad de energía eléctrica. Ya, sistemas de refrigeración por sorción de gran escala necesitan de energía auxiliar para controlar algunos dispositivos de control del sistema


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4.2 sistemas de refrigeración por absorción.

Funcionamiento de una máquina de aire acondicionado a absorción Desde hace más de veinte años, las máquinas comercializadas de más rendimiento (japonesas o construidas bajo licencia en los Estados Unidos) son o bien las de tipo amoníaco / agua, o "de

efecto simple", o bien máquinas agua / bromuro de litio, o "de doble efecto" El efecto doble permite hacer pasar el coeficiente de realización (COP: Coeficiente de Rendimiento; coeficiente entre la energía frigorífica producida y el gasto calorífico necesario en el destilador), de una media de 0,6 a más de 1 en las condiciones nominales de funcionamiento (COP frigorífico medido sobre el PCS del gas natural). Este mejoramiento de los rendimientos está vinculado a la puesta en ejecución del paso de regeneración y de un intercambiador térmico suplementario. El doble efecto permite por otra parte, alternar el modo de calentamiento con el modo frío o simultanearlos. Por último , señalemos la aparición de máquinas de "efecto triple", experimentadas en los Estados Unidos en varios prototipos industriales, de los que el COP alcanza 1,2 - 1,3 en condiciones nominales de funcionamiento

Máquina de ciclo de efecto simple amoníaco/agua El efecto simple representa la base técnica de las máquinas a absorción y ayuda a comprender el funcionamiento del ciclo efecto doble (descrito más abajo). El esquema de principio del efecto simple es representado en la figura de más abajo. En el generador 1. La solución amoníaco / agua es llevado a ebullición, gracias a una aportación calorífica asegurada por un quemador que


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funciona a gas natural. El fluido refrigerante (amoníaco) se vaporiza y se separa del agua bajo una presión próxima a 20 bares . Es enviado hacia el condensador 2. En este, el amoníaco se condensa por enfriamiento gracias al aire exterior.

El amoníaco líquido luego se dirige hacia el evaporador 3, donde se detiene. La presión del amoníaco en el seno de este evaporador está próxima a los 4 bares. A causa de la variación de presión, el amoníaco se vaporiza absorbiendo las calorías del circuito de utilización (temperatura en el evaporador está próxima a los + 3 ° C).

Estos vapores de amoníaco pasan luego por el aparato de absorción 4, y son absorbidos por el agua proveniente de la separación amoniaco agua que se produjo en el generador

Esquema del principio de una máquina de absorción de efecto simple: Amoniaco/agua

Máquina de ciclo de doble efecto agua/bromuro de litio La máquina de doble efecto agua / bromuro de litio permite un funcionamiento en modo frío o en modo calor (como la máquina efecto simple pero con prestaciones muy superiores). La técnica es la misma la pareja fluido refrigerante / absorbente es lo que difiere. En el caso de estas máquinas, el fluido refrigerante es agua que cambiará de estado en el ciclo termodinámico. El absorbente es el bromuro de litio que es una sal muy ávida de agua y que absorberá el vapor de agua después de su paso en el evaporador.

Funcionamiento en modo frío


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Los elementos constitutivos de una máquina de doble efecto son los mismos que las de una máquina de efecto simple con el añadido de un generador de baja temperatura. 1. Si el evaporador 3, el sistema absorbente 4 y el condensador 2 desempeñan los mismos papeles y reciben los mismos fluidos que en el caso del efecto simple, la concentración de la solución (Es decir la producción de refrigerante y la regeneración del absorbente) se efectúa en dos etapas distintas (hablamos desde el punto de vista de termodinámica de dos efectos distintos). La primera etapa es idéntica de hecho a la del efecto simple; la solución diluida (o solución rica) se "preconcentra" en el generador a alta temperatura 1, a llama directa (quemador de gas natural 6). La segunda etapa consiste en una concentración final en el generador a temperatura baja de esta solución "intermedia" por el vapor del refrigerante obtenido en elel generador alta temperatura 1. La solución concentrada resultante posteriormente es enviada al sistema de absorción 4; y el vapor total del refrigerante (salidas sucesivamente de los generadores de baja temperatura y de alta temperatura) es dirigido hacia el condensador 2

Funcionamiento en modo simultáneo Una recuperación de calor de baja temperatura (37 - 39 °C) sobre el condensador en modo frío es factible sobre toda máquina a absorción que funciona en frío durante el período invernal, con el fin, por ejemplo, de precalentar agua sanitaria, de asegurar el calentamiento de una fachada norte a mitad de temporada o de alimentar una red de suelo radiante. Algunos constructores añaden a sus máquinas intercambiadores complementarios para permitir una producción de agua caliente a alta temperatura (85 °C máximo) simultánea con la producción de agua helada.

Estos intercambiadores permiten, por una parte, trabajar con parejas de temperaturas salida /


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retorno comparables a los modos clásicos de calentamiento (Incremento de T de 20°C con una temperatura de salida de 80 °C). Permiten, por otra parte, evitar la utilización del condensador y del evaporador cuando solo se utiliza en modo calor, transformando así el grupo a absorción en una caldera simple.

La producción simultánea de calor para el calentamiento (80 / 60°C) y de frío para el enfriamiento (7/12 °C), adaptada a cada momento a las necesidades, es pues realizable fácilmente.


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4.3 sistemas de refrigeración por ciclo de aire. SISTEMA DE REFRIGERACION POR CICLO DE AIRE

Mantener una correcta temperatura en un avión comercial con cientos de pasajeros a bordo viajando a 40,000pies de altura (12,000 metros) representa un enorme reto para los especialistas en acondicionamiento de aire. Lograr un ambiente de cabina confortable para los pasajeros y tripulantes de un avión requiere el control de distintas variables como: Temperatura del aire, Humedad, Presión, Control de la calidad del aire. Estos son los factores que intervienen en la operación del sistema de acondicionamiento de aire. La cabina de un avión comercial representa un volumen enorme para la única fuente de aire disponible para el acondicionamiento del mismo, nos referimos al aire caliente a presión que se saca de los motores. Por lo que es normal que existan limitaciones sobre la cantidad de aire que se puede extraer en las distintas fases de vuelo, debido a que entre los objetivos principales del aire que pasa por el motor no está el acondicionamiento del aire para los pasajeros sino la propulsión para que el avión vuele, y tan sólo una pequeña parte de él debe desviarse a esta función además de atender la presurización y otros servicios requeridos en la cabina del avión. Para entender aún mejor la complicación del acondicionamiento de aire en las aeronaves hay que considerar, además, otras cuestiones, como las limitaciones de aire a bordo y las condiciones en las que debe de operar el sistema, enfrentando temperaturas exteriores de hasta -60º C, así como la falta de humedad. Los sistemas de refrigeración que se emplean en la aviación son el de ciclo de aire y el de ciclo de vapor. El primero se basa en el principio de eliminación de calor por transformación de la energía


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calorífica en trabajo mecánico, este es empleado en aviones comerciales, transportes militares y aviones de combate, funciona con el aire que se extrae del compresor del turborreactor, dicho aire caliente y a presión, se emplea para calefacción, refrigeración e incluso para la presurización de la cabina. El segundo sistema por ciclo de vapor es más limitado ya que proporciona únicamente la refrigeración del aire; este funciona mediante la evaporación de un líquido refrigerante en una unidad muy similar a la que es utilizada ampliamente en la industria automotriz; dicho sistema se usa generalmente en vuelos realizados a baja altitud y corta distancia. Cabe resaltar que en los aviones turbohélices se pueden emplear ambos tipos.

Aire de refrigeración del ciclo Aire de refrigeración del ciclo es una tecnología probada que ha sido durante mucho tiempo la base de la cabina de aviones de refrigeración. Hasta ahora, la baja eficiencia energética y el alto costo de los sistemas de ciclo de aire han impedido su uso en los edificios. Sin embargo, estudios recientes realizados por BRE y la Universidad de Bristol (véase el Edificio de Servicios noviembre de 1998) han demostrado que los sistemas de aire ciclo podría ser viable para los edificios que requieren calefacción simultánea y la refrigeración. Aunque los sistemas de aire ciclo de enfriamiento que baja COPs pueden proporcionar relativamente alta recuperación de calor de temperatura sin la penalización de la eficiencia experimentada por los sistemas de compresión de vapor. técnicas de fabricación en serie podría superar al menos parcialmente, el costo relativamente alto de los sistemas.


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Uno de los primeros tipos de sistemas de refrigeración fue creado unidad de refrigeración de aire. El refrigerante en el sistema de refrigeración de aire utiliza el más asequible, trabajo barato e inocuo fluido-aire. refrigerante (aire) expandido en el expansor 1 la presión p1 a la presión p2 con lo que trabajar. El proceso de expansión adiabática (1-2) Viene con una disminución de la temperatura de T 1 a T 2. El aire enfriado resultante se suministra en el espacio 2, donde extrae calor. El proceso de

calentamiento del aire por el calor del espacio T2 a T3 Se produce en constante presión p2= const. compresor de aire es succionado fuera de la habitación 3. El compresor comprime el aire adiabáticamente de presión p2 a la presión p1. Al comprimir los aumentos de temperatura del

aire de T3 a un valor T4, El aire comprimido se suministra al enfriador 4, donde su temperatura se reduce a partir del valor T4 a T1. El proceso de aire de refrigeración se lleva a cabo en un refrigerador a una presión constante p = const.

На рис. 10.2 Conducción y ciclo de aire del sistema de refrigeración en el P-V y diagramas T-S Работа, gastada en el sistema de refrigeración por ciclo de aire, representado en el área del

diagrama P-V 1-2-3-4-1. El calor desprendido en el enfriador en el diagrama de T-S representada por el área 1-a-c-4-1, el calor se elimina de los locales — 2-3 y la zona-en-a-. calor, purgar el aire del espacio refrigerado en el proceso isobárico 2-3 равно:

q2= h3-marido2= c p (T3-T2) (10.7) calor, emitido en el aire más frío en el proceso isobárico 4-1: q1= h4-marido1= c p (T4-T1) (10.8)


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enfriador de aire de ciclo de refrigeración coeficiente Importancia se puede calcular de la ecuación:


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4.4 bombas de calor.

1 Refrigerador Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional W in, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente. Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional). Ambos operan sobre el mismo principio. Un compresor eleva la temperatura del fluido de trabajo a base de realizar trabajo sobre él. El fluido, a temperatura superior a la ambiente, es puesto en contacto con éste en un condensador (una rejilla,p.ej.), liberando calor Qout. El fluido enfriado, pasa por una válvula de expansión, donde su temperatura cae por debajo de la del foco frío. Puesto en contacto con este foco (la cámara frigorífica o la habitación) mediante otra rejilla conocida como evaporador , absorbe calor de éste, Qin. De ahí vuelve al compresor, recomenzando el ciclo. Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COPR ) según el mismo principio que para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Qin que se extrae del foco frío y “lo que cuesta” el trabajo W in necesario para ello


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A diferencia del rendimiento de una máquina térmica, el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad (normalmente lo es, de hecho). Dado que refrigeradores y bombas de calor operan en ciclos, el coeficiente de desempeño puede definirse en términos de los flujos de calor y trabajo

donde cada flujo se calcula dividiendo el calor o trabajo intercambiados en un ciclo dividido por el periodo de éste. En el diseño de refrigeradores se suele usar como unidad la frigoría (fg), definida como 1 kcal (= 4186 J) de calor extraído. También, como unidad de potencia, se usa la frigoría/hora (fg/h), llamada erróneamente como frigoría a secas, que nos da el flujo de calor extraído.

Bomba de calor Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el, circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión al un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se


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evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve entonces al compresor, reiniciando el ciclo. En el uso habitual, lo que hace una bomba de calor es principalmente mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, reintroduciendo de forma continua el calor que va escapando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto frío en una habitación, la bomba de calor se encarga de elevar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

En el caso límite de una estufa (de resistencia eléctrica, por ejemplo), lo que ocurre es que no se extrae calor del exterior y todo el calor que entra en la habitación procede del trabajo consumido. Para que un mismo aparato pueda funcionar como aire acondicionado en verano y bomba de calor en invierno, es necesario un sistema de válvulas que permita que el vapor fluya en direcciones opuestas según el uso que se le de. En el caso de una bomba de calor “lo que se saca” es el calor Qout, por lo que el coeficiente de

desempeño de una bomba de calor se define como

o, empleando los flujos de calor y trabajo


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De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del refrigerador correspondiente se diferencian en 1.

y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que hace, por ejemplo, una estufa de resistencia. Para una bomba de calor real el COP puede ser de 4. Esto quiere decir que para aportar 4 J de calor a una habitación solo consume 1 J de energía eléctrica (mientras que u na estufa consumiría los 4 J). Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción, pero

requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura exterior es demasiado baja.


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4.5 criogenia. DEFINICIÓN La práctica de la criogenia consiste en preservar un cuerpo mediante su congelamiento con la finalidad de resucitarlo en el futuro. Legalmente, debe llevarse a cabo inmediatamente después que una persona ha sido declarada muerta para evitar as lesiones cerebrales que suceden rápidamente pasados los cinco a diez minutos aproximadamente luego de la muerte. El objetivo de esto es suspender la vida amenazada por una enfermedad incurable hasta tanto se logre obtener la cura a la misma.

APLICACIÓN La criogenia es ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, pues todos los superconductores conocidos lo son sólo a bajas temperaturas (la temperatura crítica superconductora más alta registrada hasta la fecha, a presión ambiente, está en torno a los 135 K (-138,15 °C), pero generalmente son mucho más bajas). Por ejemplo, los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados en medicina dependen de técnicas criogénicas para mantener la temperatura de los imanes superconductores que albergan. Mediante el uso de técnicas más avanzadas es posible alcanzar temperaturas aún más cercanas al cero absoluto (del orden de la milésima de kelvin): refrigeradores de dilución y des magnetización adiabática. Tales técnicas tienen su principal aplicación en el campo de la investigación, pues a temperaturas


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suficientemente bajas los efectos de la mecánica cuántica se hacen notar en cuerpos macroscópicos La criogenia debe ser llevada a cabo luego que una persona ha sido declarada muerta, sin embargo, el cese de latidos y respiración no es equivalente a muerte biológica. Legalmente una persona es declarada muerta cuando ha ocurrido muerte cerebral diagnosticada por falta de actividad cerebral evidenciada mediante electroencefalograma. Ésta situación es incompatible con el propósito de la criogenia de conservar suspendidas las funciones vitales para revivir a la persona con su conciencia y personalidad intactas en un futuro. Biológicamente la muerte es un proceso y no un evento. Luego del paro cardiorrespiratorio muchas células del organismo mantienen su actividad. De hecho, preservan sus propiedades vitales, tal como ocurrió con la oveja clonada, cuyas células originales habían sido congeladas previamente. Debido a estos conceptos, es que se habla de pacientes crio preservado en lugar de persona muerta. Sin embargo, es conocido que el congelamiento produce daño celular de distinta naturaleza que la destrucción celular. Así, el daño puede ser potencialmente reparado, la destrucción no. A Esto aspira la criogenia también, ósea a que el daño que deviene del procedimiento mismo sea reversible en el futuro. De hecho, esto implica que la persona crio preservadas todavía a la fecha no pueden revertir el proceso debido a que la tecnología no permite sortear el daño por la crio preservación.

Unidad 4 Otros Sistemas de Refrigeración

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