Unidad I

Unidad I: Fundamentos de refrigeración

Dr. Carlos Ríos Rojas

Unidad 1 Fundamentos Fundamentos de refrigeración 1.1 Definición, importancia y aplicaciones de refrigeración

La refrigeración, conocida comúnmente como un proceso de enfriamiento, se define más correctamente como la remoción del calor de una sustancia para llevarlo o mantenerla a una temperatura convenientemente baja, baja, inferior a la temperatura del ambiente. El método más extensamente usado para producir la refrigeración mecánica se conoce como el sistema de compresión de vapor . En este sistema, un refrigerante líquido volátil se evapora en un evaporador , este proceso da por resultado una remoción de calor (enfriamiento) de la sustancia que se debe enfriar. Se requiere un compresor y un condensador a fin de mantener el proceso de refrigeración y recuperar el refrigerante para su reutilización. Otro método usado es la refrigeración por absorción, absorción, donde el refrigerante se evapora, pero la evaporación se mantiene absorbiendo absorbiendo el refrigerante en en otro fluido. Entre otros métodos de refrigeración utilizados en sistemas especiales se incluyen: a) la refrigeración termoeléctrica es todavía bastante costosa; algunos pequeños refrigeradores portátiles para uso doméstico utilizan este método. b) la de chorro de vapor es ineficiente que anteriormente se utilizaba con frecuencia en los barcos, pero se ha substituido en gran parte por el sistema de compresión de vapor. c) El ciclo de aire se utiliza ocasionalmente en los equipos de aire acondicionado en las cabinas de los aviones. La refrigeración a temperaturas extremadamente bajas, inferiores a -130 ºC se conoce como criogénica. criogénica. Uno de los usos de la refrigeración a temperaturas extremadamente bajas se refiere a la separación del oxígeno y del nitrógeno del aire, para proceder a su subsiguiente licuefacción. Aplicaciones de la refrigeración

Es conveniente clasificar las aplicaciones de la refrigeración en las siguientes categorías: La refrigeración doméstica doméstica se utiliza en la preparación y conservación de los alimentos, fabricación de hielo y para enfriar bebidas en el hogar, La refrigeración comercial se utiliza en las tiendas de venta al menudeo, restaurantes e instituciones, con los mismos fines que en el hogar, La refrigeración industrial es necesaria en la industria alimenticia para el procesamiento, preparación y preservación en gran escala. Aquí se incluye su utilización en las plantas de enfriamiento y congelación de alimentos, cámaras frigoríficas, cervecerías, lecherías, pistas de patinaje sobre hielo, plantas para la fabricación de hielo, refinerías de petróleo, plantas de la industria farmacéutica, etc. A veces se considera a la refrigeración aplicada al transporte como una categoría aparte. La refrigeración también se usa extensamente tanto en el aire acondicionado para acondicionado para el confort de las personas, como en el aire acondicionado acondicionado para uso industrial. El aire acondicionado industrial se utiliza para crear la temperatura, humedad y limpieza del aire necesario en los procesos de fabricación. Las computadoras precisan un ambiente controlado. 





 

1



1.2 Métodos de refrigeración

Los métodos más antiguos para enfriar son la evaporación, como en el caso del botijo (proceso adiabático); o la utilización del hielo o la nieve naturales. Para la preparación de refrescos o agua fría, se bajaba nieve de las montañas cercanas (a menudo por las noches) que se guardaba en pozos de nieve y, en las casas, en armarios aislados, que por esa razón se llamaban neveras. También se aplicó desde muy temprano el método de refrigeración por agua sin cambio de estado, en procesos fabriles o incluso para enfríar bebidas (poniendo los envases en un pozo o en el agua del río). En resumen, dependiendo de los fines, la refrigeración puede hacerse de varios modos: 







Mediante un fluido que lleva el calor sin cambio de fase (por ejemplo, en un motor térmico, en el que emplean como refrigerantes aire o agua) Aprovechando el calor de cambio de fase (calor latente) de un fluido, y esto mediante dos sistemas distintos: Evaporando un fluido (normalmente agua) y disipando el vapor en el ambiente  exterior (desde el botijo hasta la refrigeración de procesos fabriles, como la producción de electricidad) Mediante la evaporación de un fluido en un circuito cerrado y posterior  condensación, por medio de una energía externa, para repetir el ciclo (sistemas de refrigeración de espacios) Otros métodos: como mediante una sustancia fría, antiguamente el hielo y hoy en día la criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como sal común y hielo; mediante un par termoeléctrico que genera una diferencia de temperatura. Por efecto magnetocalórico, posibilidad aún en investigación y sin aplicación comercial, que consiste en utilizar el efecto magnetocalórico.

Por otro lado: El Protocolo de Kyoto hace necesario un aumento del rigor en la aplicación y la investigación de nuevas técnicas ya que la mayoría de los sistemas de refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa o indirectamente al calentamiento global. El Protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan el ozono es un tratado internacional diseñado para proteger la capa de ozono reduciendo la producción y el consumo de numerosas sustancias que se ha estudiado que reaccionan con el ozono y se cree que son responsables por el agotamiento de la capa ozono. El acuerdo fue negociado en 1987 y entró en vigor el 1º de enero de 1989. La primera reunión de las partes se celebró en Helsinki en mayo de ese 1989. Desde ese momento, el documento ha sido revisado en varias ocasiones, en 1990 (Londres), en 1991 (Nairobi), en 1992 (Copenhague), en 1993 (Bangkok), en 1995 (Viena), en 1997 (Montreal) y en 1999 (Pekín). Se cree que si todos los países cumplen con los objetivos propuestos dentro del tratado, la capa de ozono podría haberse recuperado para el año 2050. Debido al alto grado de aceptación e implementación que se ha logrado, el tratado ha sido considerado como un ejemplo excepcional de cooperación internacional 



2



1.3 Ciclo de Carnot y ciclo invertido de Carnot Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot fue propuesto por primera vez en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot.

Figura 1.1: Procesos termodinámicos en un ciclo Carnot

Expansión isotérmica reversible En un inicio (estado 1) la temperatura del gas es T H y la cabeza del cilindro está en estrecho contacto con una fuente a temperatura T H . El gas se expande lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores. El gas se expande y su temperatura tiende a disminuir una cantidad infinitesimal dT . Un poco de calor fluye del depósito al gas, lo cual eleva la temperatura de este a T H . “En consecuencia la temperatura del gas se mantiene constante en T H ”. La cantidad total de calor transferida al gas es Q H . Expansión adiabática reversible En el estado 2, el depósito en contacto con la cabeza del cilindro se quita y se remplaza por un aislamiento, de manera que el sistema se vuelve adiabático. El gas continúa su expansión lenta y efectúa trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura desciende de T H a T L (estado 3). Compresión isotérmica reversible En el estado 3 se quita el aislamiento y el émbolo entra en contacto con un sumidero a temperatura T L. Después el émbolo se empuja hacia adentro mediante un fuerza externa y efectúa trabajo sobre el gas. El gas se comprime y su temperatura tiende a aumentar una cantidad infinitesimal dT . Un poco de calor fluye del gas al sumidero, lo cual disminuye la temperatura de este a T L. “En consecuencia la temperatura del gas se mantiene constante en T L”. La cantidad total de calor desechada por el gas en este proceso es Q L.

3



Compresión adiabática reversible En el estado 4 es tal que cuando el depósito de baja temperatura se quita y se vuelve a poner el aislamiento sobre la cabeza del cilindro y el gas se comprime de manera reversible, este regresa a su estado inicial (estado 1). La temperatura aumenta de T L a T H durante este proceso, que completa el ciclo. Un diagrama P-V de este ciclo se muestra en la siguiente figura.

Figura 1.2: Representación de un ciclo Carnot en un diagrama

P-V

Ciclo de Carnot inverso

La inversión del ciclo Carnot se denomina ciclo de refrigeración de Carnot . En este ciclo:   

Se absorbe calor en una cantidad Q L del depósito de baja temperatura. Se desecha calor en la cantidad Q H a un depósito de alta temperatura. Para lograr todo esto se requiere una entrada de trabajo W neto,ent .

Figura 1.3: Representación de un ciclo Carnot inverso en un diagrama

P-V

El ciclo de Carnot inverso, establece que es posible transferir calor de una región de baja temperatura a una región de baja, siempre y cuando se le agregue trabajo al sistema. Esto se puede esquematizar de la siguiente manera:

4



Donde:

Región de baja temperatura

qent

qent q sal

Wk ciclo

Sistema

Wk ciclo

q sal

Calor que se extrae de la región de baja temperatura. Calor que cede el sistema a la región de alta temperatura. Trabajo necesario para mover esa energía térmica.

Región de alta temperatura

Figura 1.4: Representación de un refrigerador

En un diagrama T-s, el ciclo de Carnot inverso se representa: T

Procesos termodinámicos: T h

T c

1

4

2

(1-2) (2-3) (3-4) (4-1)

3

s

Figura 1.5: Ciclo de Carnot inverso en un diagrama

Proceso Isoentrópico desde T H - T C Proceso Isotérmico a T C Proceso Isoentrópico desde T C - T H Proceso Isotérmico a T H

T- s

Trabajo del Ciclo

De acuerdo al diagrama anterior: qent  q23

 T c  s23  T c

 s3  s2 

(1.1)

q sal  q41

 T h  s41  T h

 s1  s4 

(1.2)

Haciendo un balance de energía: Wk ciclo  q sal  qent

(1.3)

Sustituyendo las ecuaciones (1.1) y (1.2) en la ecuación (1.3) Wk ciclo  T h  s1  s4   T c  s3  s2  Considerando que:

(1.4)

 s41   s23   s

Factorizando y sustituyendo en la expresión anterior: Wk ciclo



T h  T c  s

(1-5)

5



Gráficamente, este trabajo se representa mediante la parte sombreada de la siguiente figura: T

T h

1

4

Trabajo del ciclo Wk ciclo T c

2

3

Δ s

s

Figura 1.6: Representación del trabajo en un ciclo Carnot inverso

Rendimiento termodinámico

El rendimiento de una bomba de calor se mide calculando el coeficiente de rendimiento: CR 

q sal Wk ciclo

x 100

(1-6)

Sustituyendo las ecuaciones (1.1) y (1.2) en la expresión anterior: CR



T h

 s41

T h  T c 

s

x 100

(1-7)

Finalmente: CR



T h

T h  T c 

x 100

(1-8)

Para el caso de los refrigeradores, el rendimiento se calcula mediante el coeficiente: CE 

qent Wk ciclo

x 100

(1-9)

Sustituyendo las ecuaciones (1.1) y (1.2) en la ecuación anterior: CE 

T c

 s23

T h  T c 

s

x 100

(1-10)

Finalmente: CE 

T c

T h  T c 

x 100

(1-11)

6



1.4 Refrigeración por compresión de vapor Ciclo ideal de Refrigeración

La bomba de calor de Carnot representa el último avance en ciclos de refrigeración. Una aplicación práctica, es el ciclo ideal de compresión de vapor. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor, está compuesto de 4 elementos principales:    

Compresor. Condensador. Válvula Termostática de Expansión. Evaporador. VTE

1

2

Condensador

3

4

Compresor

Evaporador

Figura 1.7: Representación esquemática de un equipo de refrigeración

El funcionamiento de este equipo, se puede representar con ventaja en diagramas tales como P-v y T-s, pero el de mayor uso es el de P-h (figura 1.8). P

4

1

2

3 h

Figura 1.8: Representación de un ciclo de refrigeración ideal en un diagrama

P-h

En el punto 1, el refrigerante está en estado líquido a alta presión y alta temperatura. A su paso por la válvula de expansión, la presión del refrigerante disminuye considerablemente, y por consecuencia, también baja la temperatura hasta llegar al punto 2.

7



Se observa en la figura que en el punto 2, una parte del refrigerante cambio a líquido. Para calcular el porcentaje de refrigerante que cambio de fase, se utiliza la siguiente ecuación: h2



h f

2

 x

h fg

(1.12)

2

Donde: h2 = Entalpía a la salida de la válvula de expansión. h f2 = Entalpía de líquido saturado a la temperatura del evaporador. h fg2 = (h g2 - h f2 ) = Diferencia entre las entalpías de vapor saturado y líquido saturado a la temperatura del evaporador. En este proceso de (2-3), el refrigerante cambia a vapor absorbiendo calor de sus alrededores. Este calor absorbido es llamado “efecto refrigerante”, y se c alcula con la expresión: ER



m  ref h3  h2 

(1.13)

Donde:  ref = Flujo másico de refrigerante, en kg/s ó lbm/s. m h3 = Entalpía del refrigerante que sale del evaporador. Posteriormente, el refrigerante entra al compresor, donde su volumen disminuye bruscamente, mientras su presión y temperatura aumentan. Este trabajo desarrollado se calcula:

 t  m ref h4  h3  Wk

(1.14)

Donde: h4 = Entalpía a la salida del compresor. Finalmente, el refrigerante entra al condensador en donde cambia nuevamente de estado: de vapor a líquido, mediante una eliminación de calor, hasta alcanzar el punto 1. La energía liberada durante la condensación puede calcularse:

q sal



 ref h1  h4  m

(1.15)

Ciclo Real de refrigeración

En el ciclo real de refrigeración, el refrigerante que entra a la válvula de expansión está subenfriado o comprimido, y el refrigerante que entra al compresor está ligeramente sobrecalentado. El sub-enfriamiento del refrigerante aumenta el “efecto refrigerante” del ciclo, mientras que el sobrecalentamiento en la salida del evaporador, evita que entre al compresor refrigerante en estado líquido, lo cual causaría daños severos e este dispositivo. Estos cambios, se pueden apreciar en la figura 1.9:

8



P 1

4

’

’

3

’

2

’

h ER

Wk

q sal Figura 1.9: Ciclo de refrigeración real representado en un diagrama

P-h

Se puede establecer que: q sal  ER  Wk

(1.16)

1.5 Refrigeración por compresión de vapor de pasos múltiples múltiples

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor ordinarios son simples, económicos, confiables y casi no necesitan mantenimiento. Sin embargo, en grandes aplicaciones industriales la eficiencia, no la simplicidad, es lo que más importa. También en algunas aplicaciones el ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor es inadecuado y necesita modificarse. Ahora se analizarán algunas de esas modificaciones y refinamientos. Sistema de refrigeración en cascada

En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperaturas que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el procesa de refrigeración en etapas, es decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operen en serie. Dichos ciclos reciben el nombre de ciclos en cascada y es mostrado en la siguiente figura 1.10:

9



Figura 1.10: Ciclo de refrigeración real representado en un diagrama

P-h

Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio de ambos, el cual sirve como evaporador en el ciclo superior [ciclo A] y como condensador en el ciclo inferior [ciclo B]. Si se supone que el intercambiador está bien aislado y las energías cinética y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor al fluido en el ciclo superior. De modo que la relación de los flujos de masa en cada ciclo debe ser: m  A h5  h8   m B h2  h3 

(1.17)

m  A m  B

(1.18)



h2  h3 h5  h8

Además: COP R ,cascada



Q L

neto,ent W



m  B h1  h4  m  A h6



 h5  m  B

h2  h1 

(1.19)

En el sistema en cascada que se muestra en la figura, los refrigerantes en ambos ciclos se suponen iguales. Sin embargo, esto no es necesario puesto que no se produce mezcla en el intercambiador de calor. Se deduce del diagrama T-s que el trabajo del compresor disminuye y que la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada. Por tanto, el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeración. Algunos sistemas de refrigeración usan tres o cuatro etapas en cascada.

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Sistema de refrigeración por compresión de múltiples etapas

Cuando el fluido utilizado en el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por una cámara de mezcla (llamada una cámara de evaporación), ya que esta cuenta con mejores características de transferencia de calor. Dichos sistemas se denominan sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas.


P-h

En este sistema el refrigerante líquido se expande en la primera válvula de expansión hasta la presión de la cámara de evaporación, que es la misma que la presión interetapas del compresor. Parte del líquido se evapora durante este proceso. Este vapor saturado (estado 7) se mezcla con el vapor sobrecalentado del compresor de baja presión (estado 2) y la mezcla entra al compresor de alta presión en el estado 3. Esto es, en esencia, un proceso de regeneración. El líquido saturado (estado 7) se expande a través de la segunda válvula de expansión hacia el evaporador, donde recoge el calor del espacio refrigerado. El proceso de compresión en este sistema se compara a una compresión de dos etapas con interenfriamientos, y el trabajo del compresor disminuye. Debe tenerse cuidado en las interpretaciones de las áreas en el diagrama T-s, ya que las relaciones de flujo de masa son diferentes en partes distintas del ciclo.

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Sistemas de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor

Algunas aplicaciones requieren refrigeración a más de una temperatura. Lo anterior se logra con una válvula de estrangulamiento diferente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes. Sin embargo, un sistema de esas características será voluminoso y quizás antieconómico. Un planteamiento más práctico y económico será enviar todas las corrientes de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo, esquematizado en la figura 1.12:


P-h

La mayor parte de los alimentos refrigerados tienen un alto contenido de agua y el espacio refrigerado debe mantenerse arriba del punto de congelación (aproximadamente 5 ºC) para evitar el congelamiento. El comportamiento del congelador, sin embargo, se mantiene a casi -15 ºC. Por consiguiente, el refrigerante debe entrar al congelador a -25 ºC para tener una transferencia de calor a una relación razonable en el congelador. Si se usara una sola válvula de expansión y un evaporador, el refrigerante circularía en ambos compartimientos a casi -25 ºC, lo que provocaría la formación de hielo en la vecindad de los serpentines y la deshidratación del producto. Esto no sería aceptable para el propietario. Este problema se elimina estrangulando el refrigerante a una presión más alta (y en consecuencia la temperatura) para su uso en el espacio refrigerado y después estrangularlo hasta la presión mínima cuando se utilice en el congelador. La totalidad del refrigerante que sale del compartimiento del congelador se comprime después con un solo compresor hasta la presión del condensador.

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Unidad I

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