EL CICLO DE COMPRESION DE VAPOR DE LA REFRIGERACION
1. FUNCIONAMIENTO DE LA REFRIGERACION Antes de d e centrarnos en el estudio de los sistemas frigoríficos frigoríficos se debe hacer hincapié en ciertos conceptos que posteriormente nos ser virán mejor comprensión del ciclo de refrigeración presente en todos virán para una mejor comprensión los sistemas frigoríficos. Lo primero seria explicar qué se entiende por refrigeración:
La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno. La refrigeración es una parte de la climatización, ya que al climatizar, además de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento, también se controla la humedad, limpieza y distribución para responder aa las responder las exigencias del espacio climatizado. Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo más frío (temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar . El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío. El cuerpo que se utiliza para absorber el absorber el calor que deseamos eliminar eliminar se se llama refrigerante.
Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de refrigeración.
Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el desplazar el calor del d el espacio espa cio qque ue deseamos refrigerar hacia refrigerar hacia el exterior . recordar varios Vamos a recordar varios conceptos anteriormente explicados:
Calor latente: es el calor que produce un cambio de estado sin cambio de temperatura. Nos centramos en la evaporación y condensación, dos cambios de estado presentes en el ciclo de refrigeración, el primero necesita de un aporte de calor, y el segundo, por ser el proceso inverso al primero, necesita ceder el calor a otro cuerpo para llevarse a cabo. Sabemos en estos momentos que el refrigerante en un punto del ciclo de refrigeración se evapora, y para ello necesita un aporte de calor (en calor (en este punto del ciclo se produce la absorción del calor del espacio por reducir la parte del refrigerante para reducir la temperatura del espacio) y que en otro punto del ciclo se condensa, necesitando ceder calor a otro cuerpo (en este punto el refrigerante cede el calor al exterior). Estos cambios de estado no se pueden producir sin olvidar un concepto muy importante, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío, es decir, del cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo a menor temperatura. Esto significa que para que los cambios de estado en el refrigerante se produzcan es muy importante a qué temperatura se producen, para saber si la absorción de calor en la evaporación y la cesión de calor en la condensación se pueden llevar a cabo. Esto nos lleva a recordar el concepto de temperatura de saturación: temperatura a la cual un líquido se transforma en vapor, o un vapor se transforma en líquido, es decir la temperatura a la que se produce la evaporación y la condensación del refrigerante, independiente para cada sustancia, y variable con la presión a la que se encuentra sometida la sustancia. Cuando aumenta la presión, aumenta la temperatura de saturación. Intuitivamente podemos valorar a qué temperaturas temperatur as deben producirs producirse e dichos cambios de estado para que el ciclo de refrigeración se lleve a cabo. Nuestro
objetivo es refrigerar un espacio, para ello sabemos que debemos extraer calor del espacio,
1
utilizando un fluido llamado refrigerante; el refrigerante va a absorber el calor del espacio mientras se evapora (absorbe el calor latente calor latente del refrigerante), con lo cual el calor debe fluir del espacio que queremos refrigerar hacia el refrigerante. Es decir, nos interesa que el refrigerante utilizado se evapore a temperaturas más bajas que a la temperatura a la que se encuentra el espacio que debemos refrigerar .
Interesa que las sustancias utilizadas como refrigerantes tengan temperat temperaturas uras de saturación muy bajas, por debajo de cero para que la temperatura que queramos alcanzar en el espacio a refrigerar siempre sea superior aa la temperatura de saturación del refrigerante, y el flujo de calor siempre superior calor siempre vaya del espacio hacia el refrigerante. Lo contrario ocurre en la condensación del refrigerante. Como en la condensación el refrigerante cede calor, para volver a su estado liquido, el refrigerante debe encontrar encontrar un un cuerpo más frío que él para poder condensarse. Pero la temperatura de saturación es la misma para evaporar que para condensar, y acabamos de decir que interesa sustancias con temperaturas de saturación muy bajas para producir producir la la evaporación del refrigerante. Entonces, ¿cómo vamos a volver a condensar condensar el el refrigerante, para volver a evaporarlo y continuar extrayendo calor del espacio a refrigerar? Si, además, el calor lo voy a ceder al exterior que exterior que se supone que está a más temperatura que el espacio que estoy refrigerando. La respuesta se ha indicado anteriormente; al aumentar la presión aumenta la temperatura de saturación. La solución es bien fácil, aumento la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante hasta el punto en que la temperatura de saturación del refrigerante es mayor que la temperatura exterior, convirtiendo al refrigerante en el cuerpo caliente en su punto de condensación, y el exterior exterior que que rodea el espacio a refrigerar en el cuerpo frío, absorbiendo el calor que necesita ceder el refrigerante para condensar yy volver a su estado liquido para iniciar otra condensar iniciar otra vez el ciclo de refrigeración. Entre la condensación y evaporación en el ciclo de refrigeración, debemos reducir la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante, para que la temperatura de saturación descienda y la evaporación del refrigerante vuelva a producirse.
2.
COMPONENTES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION Las piezas principales del sistema de refrigeración se mencionan a continuación:
Ciclo de refrigeración
2
•
Receptor
Su función consiste en proporcionar el almacenamiento para el líquido procedente del condensador condensador para para que haya un suministro constante de líquido para el evaporador, según las necesidades del mismo.
•
Línea de líquido
Su función consiste en llevar el refrigerante líquido desde el receptor receptor hacia hacia el control de flujo de refrigerante.
•
Control de flujo de refrigerante
Sus funciones consisten en medir la cantidad adecuada de refrigerante que va hacia el evaporador y en reducir la reducir la presión del líquido que entra en el evaporador, para que así, el líquido se evapore en el evaporador aa la temperatura baja deseada. evaporador
•
Evaporador
Su función consiste en proporcionar proporcionar una una superficie de transferencia de calor a través de la cual el calor pasa del ambiente refrigerado al refrigerante evaporado.
•
Línea de aspiración
Su función consiste en llevar el vapor de presión baja desde el evaporador hacia aspiración del compresor .
•
la entrada de
Compresor
Sus funciones consisten en extraer el vapor del evaporador y en aumentar aumentar la la temperatura y presión del vapor para que éste pueda condensarse con los medios de condensación normalmente disponibles.
•
Línea de descarga
Su función es entregar el vapor condensador .
•
a presión alta y temperatura alta desde el compresor hasta el
Condensador
Su función es proporcionar proporcionar una una superficie de transferencia de calor a través de la cual el calor pasa del vapor refrigerante caliente a un medio de condensación.
Un sistema de refrigeración se divide en dos partes según la presión que el refrigerante ejerce en estas dos partes:
1.
Lado bajo
La parte de presión baja del sistema se compone del control de flujo de refrigerante, el evaporador y la línea de aspiración. La presión que ejerce el refrigerante en estas partes es la presión baja necesaria para que el refrigerante se evapore en el evaporador. Esta presión se conoce como “presión baja”, “presión del lado bajo”, “presión de aspir ación” ación” o “presión de evaporación”.
2.
Lado alto
La parte de presión alta del sistema se compone del compresor, la línea de descarga, el condensador, el receptor yy la línea de líquido. La presión que ejerce el refrigerante en esta parte del sistema es la presión alta receptor
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necesaria para la condensación del refrigerante en el condensador. Esta presión se llama “presión alta” “presión de descarga” o “presión de condensación”.
Los puntos divisorios entre los lados de presión alta y baja del sistema son el control de flujo de refrigerante, donde la presión del refrigerante se reduce de la presión de condensación a la presión de evaporación, y las válvulas de descarga en el compresor, a través de las cuales el vapor de presión alta se expulsa después de la compresión.
3. EL CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION Procesos del ciclo de refrigeración por compresión El refrigerante circula por el sistema y pasa por por diversos cambios de estado y condición; cada uno de esos cambios se denomina un proceso. El refrigerante de procesos según una comienza en un estado o condición inicial, pasa por una serie de secuencia definida, y vuelve a su condición inicial. Esta serie de procesos se denomina ciclo de refrigeración. El ciclo de refrigeración simple se compone de cuatro procesos fundamentales: •
Expansión.
•
Evaporación.
•
Compresión.
•
Condensación.
Expansión
Este proceso ocurre en el control de flujo de refrigerante. El refrigerante líquido a temperatura y presión altas fluye del receptor por el tubo del líquido hacia el control de flujo del refrigerante, de tal forma que a la salida, la presión del líquido se ha reducido lo suficiente para que la temperatura de saturación del refrigerante que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del ambiente refrigerado. Una parte del líquido se evapora en el control de flujo de refrigerante para reducir la temperatura del líquido hasta la temperatura de evaporación. Evaporación En el evaporador, el líquido se evapora a una temperatura y presión constantes, mientras el calor necesario para el suministro de calor latente de evaporación pasa de las paredes del evaporador hacia el líquido que se evapora. Todo el refrigerante se evapora en el evaporador y se calient calienta a en el extremo del evaporador. Pese a que la temperatura del vapor aumenta un poco en el extremo del evaporador debido al recalentamiento, la presión del vapor no varía. Aunque el vapo Aunque vaporr absorbe el calor del aire que rodea la línea de aspiración, que aumenta su temperatura y disminuye ligeramente su presión debido a la pérdida por fricción en la línea de aspiración, estos cambios no son importantes para la explicación de un ciclo de refrigeración simple.
Compresión Por la acción del compresor, el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.
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En el compresor, la temperatura y presión del vapor aumentan debido a la compresión. El vapor de alta temperatura y alta presión se descarga del compresor en la línea de descarga. Condensación El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde evacua calor hacia el aire relativamente frío que el ventilador del condensador hace circular a través del condensador. Cuando el vapor caliente evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a la nueva temperatura de saturación que corresponde a la nueva presión, y el vapor se condensa, volviendo así al estado líquido. Antes de que el refrigerante alcance el fondo del condensador, se condensa todo el vapor y luego se subenfría. A continuación, el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo para volver a circular.
4.-
Trazado de un ciclo frigorífico ideal por compresión en un diagrama entálpico Como se trata de un ciclo ideal, vamos a suponer:
•
•
Aspiramos vapores en el estado e stado exacto de vapor vapor saturado saturado seco (x=1).
En el compresor, el proceso es una compresión adiabática pura (Q = 0 ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a compresores con flujo estacionario).
•
En el condensador el proceso termodinámico es isobárico (p = cte. ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a intercambiadores de calor, debido a que W = 0, entonces p = cte.)
•
En el dispositivo de control de flujo o válvula de expansión, el proceso termodinámico es isentálpico (h = cte. ; deducida deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a dispositivos de estrangulación, debido a que Q = 0 , y W = 0, entonces h = cte.)
•
En el evaporador el proceso termodinámico es isobárico (p = cte. ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a intercambiadores de calor, debido a que W = 0, entonces p = cte.)
•
El líquido no experimenta subenfriamiento en el condensador condensador ni ni en el depósito de líquido.
•
No existen pérdidas de carga por la circulación del fluido en las tuberías.
• Las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y las fuentes frías y caliente es infinitesimal; o sea si la temperatura del medio a enfriar y la temperatura del medio condensante son las temperaturas absolutas de los focos frío y caliente (TFF y TFC) y TE y TC son las temperaturas absolutas del refrigerante en el evaporador y condensador, se ha de cumplir que:
T E
T F F
T C
T F C dT
Las condiciones de trabajo se definen por: 1.
vaporización.. temperatura de vaporización
2.
temperatura de condensación.
3.
presión de vaporización.
4.
presión de condensación.
5
dT
Diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico ideal.
Lo primero que hacemos es trazar trazar las isóbaras pv y puntos característicos del ciclo. 1-2-3-4
p c, y sobre las que
se situaran los
Punto 1. Aspiración del compresor. En 1 los vapores entran en el compresor justamente saturados (vapor saturado seco x=1) se situará en la intersección de la isóbara isotérmica
,
pv - tv y de la curva x=1.
Punto 2. Compresión adiabática. El punto figurativo se desplazará sobre la línea adiabática pasando por S1. Al final final de la compresión, la presión tendrá el valor p c, por lo que el punto 2 será la intersección de la isóbara p c y de la adiabática S1.
Punto 3. Enfriamiento y condensación del fluido. Siendo una isóbara el enfriamiento y condensación del fluido, el punto figurativo se desplazara de derecha a izquierda por la isóbara p c partiendo de 2. Al término de la
condensación y hallándose todo el fluido condensado a la presión p c el punto 3 se encontrará en la intersección de la curva x = 0 y la isobara-isotérmica p c - t c.
Punto 4. Expansión isentálpica. La expansión es isentálpica, por lo que el punto figurativo se desplazará sobre la isentálpica y al final de la expansión, y siendo entonces pv la presión, el punto h4 se hallara en la intersección de la isentálpica h4 , y la isóbara pv. Como la evaporación es isobárica e isotérmica, el punto figurativo describirá la isoterma-isobárica pv - tv, desde 4 hasta 1 que es el estado del fluido a la entrada del compresor.
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Un ciclo de refrigeración saturado simple es un ciclo teórico, con las siguientes características. Su representación en diagramas T-s y p-h es la siguiente:
Leyes termodinámicas que se cumplen: a) Por el primer principio de la Termodinámica, siempre se cumple que en el ciclo:
E sali saliente entess = E entrantes Ec.
QConden = Q Evapo r + W Compr C ompr
b) Por otra parte para cada elemento que forma el ciclo, lo tratamos como un sistem a abierto en régimen permanente, por tanto, se cumplirá para cada elemento que:
Q Donde:
W r
h
W
Ec.
Q es el calor que entra al sistema Wr es el trabajo que resulta de las perdidas por fricción h es la diferencia de entalpia entre la entrada y la salida del sistema W es el trabajo que entra al sistema
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Las cuatro transf fluido transformacione ormacione s termodin termodinámicas ámicas experime experimentadas ntadas por el fluido se repr represent esentan an en este ciclo por las curvas o segmentos de las líneas: •
Compresión: Tramo 1-2 (curva).
El fluido aumenta su temperatura desde tv hasta t c de en un proceso adiabático - isentrópico, reversible, es decir, la energía que damos al fluido a través del trabajo de compresión la invertimos en incrementar su energía interna solamente, no la disipamos a través de rozamientos o de calor al exterior, por lo l o que la expresión de la ec. 2 anterior nos queda en:
Wc= Wc
=
h
h=h -h 2
isentrópico
kJ kg
1
La energía absorbida por el fluido es (el trabajo que el compresor dio):
Wc a nivel potencia:
•
=m .
h -h
R
isentrópico
2
1
kw ó w
Condensación: Tramo 2-3 (recta).
Al aplicar la ec. 2 anterior, primero consideramos: que el fluido que sale del compresor se enfría a presión constante en un proceso Isobárico, y posteriormente se condensa hasta la forma líquida, si el proceso es reversible, reversible, y como es evidente no se produce ningún tipo de trabajo sobre el exterior, obtenemos que:
Q = C
h
Entonces, la cantidad de de calor que hay que ceder ceder al medio de condensación condensación para pasar del del punto 3 al 2 es:
Q =m . A nivel de potencia:
C
R
h -h 3
2
Cumpliéndose como en el caso del evaporador que el calor cedido es directamente proporcional al incremento de entropía que sufre el fluido, y a la temperatura a que se produce el proceso.
•
Expansión: Tramo 3-4 (recta).
El líquido a temperatura t c y presión p c llega a la válvula válvula de expansión expansión y sufre una expansión por laminado a través de un orificio. En el dispositivo dispositivo de de expansión, se cumplirá el primer primer principio de la termodinámica, como en los demás casos, teniendo en cuenta que no se produce ningún trabajo, que el proceso es adiabático, debido a lo pequeño del elemento y a la
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alta velocidad del fluido, prácticamente no hay tiempo para poder transmitir o recibir calor del exterior, despreciando además el trabajo de rozamiento, obtenemos que el proceso será un proceso isentálpico, a entalpia constante, donde se cumple que:
h3 = h4 . El título del vapor varía de x = 0 a x = x4 . . •
Evaporación: Tramo 4-1 (recta).
El vapor al llegar al evaporador es una mezcla de líquido vapor, de título x4 y cuya presión y temperatura son pv y tv respectivamente. Gracias al calor tomado del recinto a enfriar, el líquido se vaporiza, aumentando progresivamente el título del vapor y poniendo en juego el calor latente de vaporización del líquido. Como no consideramos ni el trabajo de rozamiento y en el evaporador el fluido de trabajo no produce ningún trabajo exterior, por tanto al aplicar la ec. 2 anterior queda, expresando la producción frigorífica:
Qa
h
h1 h4
Entonces, la cantidad de calor absorbida del evaporador es:
Q
En forma de potencia:
R * h1 m
h4
dado en kw ó w.
Por el segundo principio de la termodinámica se cumplirá que:
Qa = T .
s -s
E
Qa = m . R
1
s -s 1
kJ J ó kg kg
4
4
.T
E
kw ó w
COEFICIENTE DE EFECTO FRIGORÍFICO: Una vez visto a nivel energético todos los elementos principales del circuito frigorífico, podemos definir su rendimiento, mediante un coeficiente de rendimiento, llamado cooling Coeficient Operate Performance (COP), mediante el cociente de lo que deseamos conseguir y lo que se invierte para conseguirlo. Así en nuestro caso, lo que queremos conseguir es extraer calor de un local ó espacio, y lo invertido lo que nos cuesta dinero es el trabajo del compresor al cual se lo damos a través de un motor eléctrico o de un motor de explosión, por tanto podemos definirlo como:
Q C.O.P. C.O.P. =
evaporador
Wc
Q
evaporador
=
Q
condensador
-Q
evaporador
Se define el coeficiente de efecto frigorífico como la relación entre el frío producido y la energía de compresión suministrada, por tanto:
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Existen unas máquinas frigoríficas en donde lo que nos interesa es el calor desprendido por el condensador (bombas de calor), por lo que el rendimiento para este tipo de máquina lo podremos definir como:
H . C .O. P .
Qc onde onde nsador nsador Qc onde onde nsador nsador
Qevaporador
Qc onde onde nsador nsador
h2
h3
W C
h2
h1
Llamado Heating Coeficient Operate Performance.
EN RESUMEN: Entonces, en el diagrama entálpico todas las transformaciones producidas en un ciclo ciclo frigorífico son determinadas en unidades térmicas directamente, sin necesidad de medir áreas, midiendo distancias.
qc Wk qe
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Efecto de la temperatura de evaporación y condensación sobre la eficacia del ciclo La eficacia de un ciclo de refrigeración varía considerablemente con la temperatura de vaporización y condensación, siendo de ellas, la de vaporización la de mayor efecto.
Efecto de la temperatura de vaporiza vaporización ción sobre el ciclo frigorífico.
Tal y como puede verse en la gráfica superior, el efecto refrigerante es superior para el ciclo frigorífico cuya temperatura de vaporización Tv2 corresponde a la presión Pv2 que para el ciclo frigorífico cuya temperatura de vaporización Tv1 corresponde a la presión Pv1, siendo Tv2 > Tv1. Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv2(Pv2):
Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv1(Pv1):
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ya que
.
A esta mayor temperatura, más próxima a la del líquido que se aproxima a la válvula de laminación, una fracción más pequeña de de refrigerante se vaporiza vaporiza al paso por por la válvula, quedando una mayor proporción para vaporizarse en el evaporador y producir más frío útil. Al ser mayor el efecto refrigerante, la cantidad de fluido frigorígeno que circula ha de ser menor. La diferencia de presiones entre el evaporador y el condensador es menor en el ciclo que presenta una mayor temperatura de vaporización, por lo que el trabajo de com compresión presión también será menor. Debido a que el trabajo de compresión compresión y el peso de fluido refrigerante que circula son menores a la mayor temperatura de aspiración, la potencia teórica requerida también será inferior para la temperatura de aspiración más alta. Esta diferencia se hace más patente cuando se introduce la eficiencia del compresor y se comparan las potencias reales requeridas. El volumen de vapor movido por el compresor varía con los cambios de de temperatura de vaporización, disminuyendo enormemente a medida que ésta aumenta. Este es probablemente el factor factor más importante de todos los que afectan a la capacidad y eficiencia del ciclo. También, debido al menor peso peso de fluido frigorígeno que circula y al menor calor compresión aportado, el calor eliminado en el condensador debe ser inferior.
de
El efecto de la temperatura de condensación es inverso al que presenta la temperatura de vaporización. Manteniéndose ésta última constante, la eficacia del ciclo disminuye si la temperatura de condensación aumenta, y viceversa.
Efecto de la temperatura de condensación sobre el ciclo frigorífico.
Tal y como puede verse verse en la grafica superior, el efecto refrigerante es superior para el ciclo frigorífico cuya temperatura de condensación T c1 corresponde a la presión P c1 que para el ciclo frigorífico cuya temperatura de condensación Tc2 corresponde a la presión P c2, siendo T c1 < T c2. P c1): Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación T c1( P
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Pc2): Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación Tc2( Pc2
ya que
.
La temperatura del líquido que pasa a través de la válvula de laminación laminación es mayor, h4’ > h4, lo que reduce el efecto refrigerante. Esto, a su vez, hace que el peso de fluido refrigerante que debe circular sea mayor, y como consecuencia se incrementa el volumen de vapor que debe ser comprimido. El trabajo de compresión necesario necesario para aumentar la presión del vapor hasta la presión correspondiente a la temperatura de condensación condensación es mayor a medida que aumenta esta temperatura. La potencia teórica requerida aumenta con el incremento de la temperatura de condensación. Aunque la cantidad de calor eliminado en el condensador por Kg de fluido frigorígeno varía muy poco, ya que el aumento del calor de compresión es compensado por la disminución del efecto frigorífico, sin embargo el calor total disipado varía considerablemente, debido a la diferencia de peso de fluido que circula. La cantidad de calor sensible eliminado aumenta considerablemente, mientras que la de calor latente disminuye ligeramente.
Recalentamiento del vapor En el ciclo de refrigeración saturado simple, se supone que el vapor de aspiración llega hasta la entrada del compresor como vapor saturado a la temperatura y presión de evaporación. En la práctica, esto ocurre raras veces. Después de que el refrigerante líquido se ha vaporizado completamente en el evaporador, el vapor saturado frío, continúa, por lo general, absorbiendo calor en el tramo de aspiración, pasando a un estado recalentado antes de llegar al compresor. Si se desprecia la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de aspiración, se podrá suponer que la presión del vapor de aspiración permanece constante durante el recalentamiento.
Imagen diagrama con recalentamiento del vapor.
La potencia requerida por unidad de capacidad refrigerante del ciclo es mayor mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo saturado y, además, es menor el rendimiento obtenido (o eficiencia energética). Esto quiere decir que el compresor, el motor del compresor y el condensador deberán ser
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mayores para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo saturado. Esto significa una mayor inversión inicial en el ssistema istema frigorífico. Cuando el vapor pasa directamente hasta la aspiración del compresor sin ningún recalentamiento, puede arrastrar pequeñas pequeñas cantidades de líquido no vaporizado. A este este vapor se le llama vapor húmedo. Este vapor húmedo en la aspiración puede causar efectos negativos en la capacidad del compresor, y provocarle daños mecánicos. Ya que el recalentamiento del vapor elimina la posibilidad de existencia de este vapor húmedo en el compresor, es deseable deseable un cierto grado de recalentamiento del mismo. El efecto del recalentamiento del vapor de aspiración sobre la capacidad del sistema y sobre el coeficiente de operación, depende totalmente de dónde y cómo ocurre el recalentamiento del vapor y de si el calor absorbido por el vapor al recalentarse produce o no enfriamiento útil. El grado de recalentamiento que se elija en cada caso particular, depende, también, de dónde y cómo ocurra el recalentamiento, así como del refrigerante empleado. El recalentamiento del vapor en el tramo de aspiración puede ocurrir en los siguientes puntos, o en una combinación de ellos: • Al final del evaporador. • En la tubería de aspiración instalada dentro del local refrigerado. • En la tubería de aspiración situada fuera del espacio refrigerado. • En un cambiador de calor, tramo de aspiración-tubería de líquido. Cuando el recalentamiento tiene lugar al fluir el refrigerante por la tubería de aspiración localizada fuera del espacio refrigerado, el calor tomado por el vapor es absorbido del ambiente y no se produce enfriamiento útil. Este recalentamiento del vapor que no produce enfriamiento útil afecta adversamente a la eficacia del ciclo. Es obvio entonces, que el recalentamiento del vapor en la tubería de aspiración fuera del espacio refrigerado debe eliminarse siempre que sea práctico. El recalentamiento del vapor dentro del espacio refrigerado puede ocurrir al final del evaporador o en la tubería de aspiración localizada dentro del espacio refrigerado, o en ambos sitios. Para que no llegue refrigerante en forma de líquido al compresor se debe ajustar la válvula de regulación de refrigerante de forma que todo el líquido se evapore totalmente antes de su llegada al final del evaporador. En tales casos, el vapor frío continuará absorbiendo calor y se recalentará en la última parte del evaporador. Si el calor necesario para recalentar el vapor es tomado del espacio espacio refrigerado, se obtiene obtiene un enfriamiento útil y el efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante aumenta en una cantidad igual a la cantidad de calor absorbido en el recalentamiento. Sin embargo, a pesar de que se mejora aparentemente la eficiencia frigorífica del ciclo, no es económico el recalentamiento del vapor en el evaporador más allá de lo necesario para lograr el funcionamiento adecuado de la válvula de expansión. El recalentamiento excesivo del vapor de aspiración en el evaporador reducirá la capacidad del evaporador innecesariamente y requerirá que el evaporador opere a una temperatura de vaporización menor o el uso de un evaporador más grande, con objeto objeto de obtener la capacidad de evaporador deseada. A veces se instala instal a dentro del espacio refrigerado, para el recalentamiento del vapor, un tramo de tubería de aspiración adicional al evaporador, llamado generalmente serpentín secador, cuya función es la de secar. Dicha tubería permite una inundación más completa del evaporador con refrigerante líquido, sin que exista el peligro de arrastre de líquido por la tubería de aspiración hasta el compresor.
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Este sistema no solamente proporciona un medio de recalentamiento del vapor de de aspiración dentro del espacio espacio refrigerado de forma que la eficiencia del ciclo aumente sin sacrificio de superficie evaporadora, sino que de hecho hace posible un uso más efectivo de la superficie del evaporador. En algunos casos, y en particular cuando la temperatura de aspiración es alta y la humedad relativa del aire exterior razonablemente baja, el recalentamiento del vapor de aspiración dentro del espacio refrigerado, elevará la temperatura de la tubería de aspiración evitando la formación de escarcha y eliminando la necesidad de aislamiento de dicha tubería. El grado de recalentamiento del vapor de aspiración, dentro del espacio refrigerado, está limitado por la temperatura del espacio. espacio. Normalmente, el vapor podrá ser recalentado hasta 23°C por debajo de la temperatura del local refrigerado.
Subenfriamiento del líquido Cuando el líquido refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula de expansión, se incrementa el efecto efecto refrigerante por unidad de masa de fluido refrigerante.
Diagrama con subenfriamiento
El aumento de efecto refrigerante por kg de refrigerante, resultante del subenfriamiento es la diferencia entre h 4 y h 4 y es exactamente igual a la diferencia entre h 3 y h 3 , que representa el calor eliminado por Kg de líquido, durante el subenfriamiento. ’
’
El efecto refrigerante en el ciclo saturado es:
y el efecto refrigerante en el ciclo con subenfriamiento:
El trabajo de compresión por unidad de masa es igual para ambos ambos ciclos, saturado y con subenfriamiento, se deduce que el aumento de efecto refrigerante por unidad de masa originado por el subenfriamiento, se obtiene sin aumentar el suministro de energía al compresor. El trabajo de compresión para ambos ciclos es:
Si existe un aumento en la cantidad de calor absorbida en el evaporador, manteniendo constante el trabajo absorbido por el compresor, evidentemente se produce un aumento del rendimiento del ciclo.
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ε
(subenfriamiento) > ε (saturado)
Pérdidas de presión El refrigerante experimenta una pérdida de carga por fricción, durante su circulación por las tuberías, evaporador, condensador, recipiente de líquido y a través de las válvulas y demás puntos del circuito frigorífico. Como resultado de la caída de presión en el evaporador, el vapor sale de él a una presión y temperatura de saturación menor. Debido a esto, la potencia necesaria por capacidad frigorífica unitaria es también mayor, mayor, ya que el vapor vapor debe ser comprimido comprimido salvando salvando un incremento de presión superior superior (la relación de compresión aumenta). La caída de presión tanto en el evaporador como en la tubería de aspiración, debe mantenerse dentro de un valor mínimo con objeto de obtener la mayor mayor eficiencia posible del ciclo frigorífico. Esto se aplica también a los cambiadores de calor o a cualquier otro dispositivo auxiliar que se utilice en la tubería de aspiración. Normalmente, la caída de presión en un evaporador bien diseñado es de 0,14 a 0,21 Kg/cm2. Idealmente, la tubería del del tramo de aspiración debe debe ser diseñada de manera que la caída de presión no acuse una disminución mayor de 1°C en la temperatura de saturación. Señalar que, el vapor es comprimido en el compresor hasta una presión considerablemente mayor que la presión de condensación. Esto es necesario para forzar la salida del vapor, a través de las válvulas de descarga, contra la presión de condensación y contra la presión ocasionada por la acción de los resortes en las válvulas de descarga. Cualquier caída de presión que ocurra en el lado de la descarga del compresor tendrá el efecto de aumentar la presión de descarga, aumentando así el trabajo y la potencia del compresor. En el tramo de tubería entre el recipiente de líquido y la válvula de expansión, existen también pérdidas de carga. Estas pérdidas de carga deben ser inferiores a 0,35 Kg/cm2.
Modificaciones sobre el ciclo ideal Hemos visto que el ciclo real se aleja del ciclo teórico debido a: • Tramo 1-2. Recalentamiento en las tuberías de aspiración del compresor. • Tramo 2-3. Pérdida de carga carga en la válvula de aspiración del compresor. • Tramo 3-4. Recalentamiento del vapor al entrar en el cilindro. • Tramo 4-5. Compresión real (no isoentrópica).
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• Tramo 5-6. Pérdida de carga carga en la válvula de descarga. • Tramo 6-8. Enfriamiento de los vapores en la tubería entre el compresor y el condensador. • Tramo 8-9. Enfriamiento de vapores, condensación y subenfriamiento del líquido. • Tramo 9-10. Laminación en la válvula válvula de expansión. expansión. • Tramo 10-1. Evaporación del líquido y absorción de calor en el evaporador.
En el diagrama diagrama puede observarse puede observarse igualmente: •
Pérdida de carga durante la evaporación.
• Pérdida de carga durante la condensación.
Imagen diagrama ciclo real
Las irreversibilidades que provocan la desviación del comportamiento ideal son de dos tipos: a) de origen externo. b) de origen interno. a) Irreversibilidades externas: Tienen su origen en la necesidad de un gradiente finito entre las fuentes fue ntes y el fluido refrigerante, lo que comportará mantener una más alta temperatura de condensación y una más baja temperatura de evaporación que sus correspondientes medios (ente los 5 a 10 ºC); con lo que comporta, que para retirar el mismo calor "QE" de un recinto, un rendimiento menor. b) Irreversibilidades interna: Se debe fundamentalmente al rozamiento del fluido a su paso por tuberías e intercambiadores. Entre ellas destacan: a) Pérdidas de carga originadas en las líneas y válvulas, t anto en aspiración como en descarga. b) Pérdidas de carga en el condensador y en el evaporador. c) Irreversibilidades de la compresión, ya que la compresión no es adiabática, ni isentrópica,
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es un proceso politrópico. Por lo que la aparición de irreversibilidades conduce a un aumento de entropía, y el punto final de la compresión se desplaza a la derecha del punto 2. El trabajo en este caso será:
W c
h2
real
h1
El trabajo ideal o isentrópico es:
W c is entr ópico
h2'
h1
Con lo que podemos definir, el rendimiento isentrópico como:
Wc
h -h =
isentrópico
2'
1
h -h 2
1
=
isentr
Wc
menor que 1.
real
El ciclo real definitivo será:
p 2' 3
2
4 1
1' h
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Ciclos Frigoríficos 431
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En la realidad el proceso no es tan simple. Trataremos de visualizarlo con ayuda del siguiente croquis.
En el mismo por simplicidad se ha omitido el separador de líquido que normalmente se instala a la salida de la válvula. Este es un tanque o vasija donde se separa el gas del líquido. Este último va al evaporador mientras que el gas pasa directamente al compresor. El condensador en los sistemas mas simples es un intercambiador de calor del tipo “radiador” a aire. Un ciclo típico por compresión de una sola etapa se puede ver en el diagrama T-S que vemos a la izquierda. Las diferencias con el ciclo de Carnot se deben a los hechos siguientes: a) La evaporación no es isentrópica porque se suele hacer a través de una restricción, o sea que resulta isentálpica, espontánea y por ello fuertemente irreversible, es decir, con aumento de entropía; b) La compresión se lleva a cabo hasta que el vapor se recalienta. El calor absorbido en el evaporador (la fuente fría) se obtiene de la siguiente ecuación. (10-1) Q2 = calor absorbido en el evaporador = H a − H d Puesto que por lo general se conoce el calor que se debe eliminar en el evaporador, que suele ser un dato, podemos calcular el caudal de masa de fluido frigorífico que circula por el evaporador. El calor extraído por unidad de masa en el evaporador es: Q2 & × q2 ⇒ m& = q2 = ha − hd ⇒ Q2 = m ha − hd
Q1 = calor cedido en el condensador = Hb − Hc W es el trabajo realizado en el compresor: W = ( Hb − H c ) − ( H a − H d ) Como la expansión c→d es casi isentrópica, es: H c = Hd ⇒ W = Hb − H a Por lo tanto el Coeficiente de Eficiencia Frigorífica (cef ) es: Q2 H a − H d cef
=
=
(10-2) (10-3) (10-4)
(10-5)
W H b − H a En realidad, además de la pérdida de eficacia debida a la irreversibilidad de la expansión c→d tenemos que tener en cuenta que cuanto mayor es la relación de compresión tanto mayor es la eficacia del compresor. Para una sola etapa, rendimientos típicos de compresores alternativos de amoníaco vienen dados por las expresiones siguientes:
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Ciclos Frigoríficos 432
ηS
P = 0.86 − 0.038 f P i
ηV
P = 1.0 − 0.05 f P i
Si bien estas expresiones sólo son aproximadamente válidas para compresores alternativos, se encuentran relaciones similares para otros tipos de compresor. Para compresores alternativos el rendimiento isentrópico oscila entre 0.85 para compresores chicos hasta 0.93 en compresores grandes. El rendimiento volumétrico va desde 0.6 a 0.7 para compresores chicos (hasta 10000 frig./hora) hasta 0.7 a 0.8 para compresores medianos (hasta 50000 frig./hora) hasta 0.8 a 0.88 en compresores grandes (> 50000 frig./hora). Para instalaciones frigoríficas de gran tamaño se suelen usar compresores centrífugos. Por ejemplo en una instalación de 3,000,000 frigorías por hora funcionando con Freon 12 de temperatura de ebullición –40 °C el compresor debe aspirar alrededor de 20000 m3/hora de vapor. Empleando un compresor horizontal a pistón de dos etapas la primera etapa debería tener un diámetro de 1.5 m., mientras que un compresor centrífugo será mucho menos costoso, ya que su peso, incluido reductor, será siete veces menor. Los compresores centrífugos son muy usados para ciclos frigoríficos. Pueden ser herméticamente cerrados, semiherméticos o abiertos. Los equipos herméticos tienen el motor y la caja del compresor integrados en un solo conjunto, lo que permite obtener dos ventajas. Por un lado se reducen las fugas de fluido al mínimo, y por otro el enfriamiento del motor lo hace el propio fluido refrigerante lo que permite un diseño mas compacto y económico. Todos los refrigeradores domésticos y comerciales chicos tienen esta disposición llamada de “equipo sellado”. Los compresores centrífugos semiherméticos tienen la ventaja de permitir un acceso mas fácil que los herméticos en caso de fallas. Muchos compresores de media capacidad son semiherméticos. En un compresor abierto el motor y el impulsor están instalados en cajas separadas, así que hay un eje que pasa a través de la caja del compresor lo que obliga a tener un sello para evitar fugas entre el eje y la caja. La razón de que sigan usándose es que consumen menos energía que los de tipo sellado, típicamente de un 2 a un 4% menos. Por ese motivo muchos equipos grandes son de tipo abierto. En general, los compresores alternativos se están dejando de lado en favor de diseños rotativos (por ejemplo de tornillo) en instalaciones de mas de 500,000 frigorías/hora ya que su rentabilidad es mayor. 10.2.1 Fluidos frigoríficos La siguiente tabla proporciona las siglas o formas abreviadas de los nombres de muchos fluidos refrigerantes usados en la actualidad. Además de las siglas que figuran en la tabla existen muchas denominaciones comerciales. Sigla
Nombre químico
Sigla
Nombre químico
R-11 R-12 R-13 R-13B1 R-14 R-21 R-22 R-23 R-32 R-40 R-40 R-113 R-114 R-115 R-125 R-134ª R-126 R-142b R-152ª R-170
Triclorofluorometano – CCl3F Diclorodifluorometano – CCl2F2 Clorotrifluorometano – CClF3 Bromotrifluorometano – CBrF3 Tetrafluoruro de carbono – CF4 Diclorofluorometano – CHCl2F Clorodifluorometano – CClF2 Trifluorometano – CHF3 Difluoroetano – C2H4F2 Cloruro de metilo – CClH3 Metano – CH4 Triclorotrifluoroetano – CCl2F-CClF2 Diclorotetrafluoroetano – CClF2-CClF2 Cloropentafluoroetano – CClF2-CF3 Pentafluoroetano – CHF2-CF3 Tetrafluoroetano – CHF2-CHF2 1,3-dicloro-1,12,2,3,3-hexafluoropropano Clorodifluoroetano Difluoroetano Etano – CH3-CH3
R-227 R-290 R-C318 R-407A R-407B R-407C R-410A R-500 R-502 R-503 R-504 R-507 R-600 R-600a R-717 R-744 R-1150 R-1270 HX4 MHC 50 CARE 50
Heptafluoropropano Propano – CH3-CH2-CH3 Octafluorociclobutano Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (1) Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (2) Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (3) Mezcla de R-32 y R-125 al 50% en peso Azeótropo de R-12 y R-152ª Azeótropo de R-12 y R-115 Azeótropo de R-23 y R-13 Azeótropo de R-32 y R-115 Mezcla de R-125 y R-143a 50% en peso n-Butano Isobutano Amoníaco – NH3 Dióxido de carbono – CO2 Etileno – CH2=CH2 Propileno Mezcla R-32, R-125, R-143m y R-134a (4) Mezcla de R-290 y R-600a (5) Mezcla de R-170 y R-290 6/94 moles %
Notas aclaratorias (1) R-407A es una mezcla de 19 a 21% en masa de R-32 + 38 a 42% en masa de R-125 + 38 a 42% en masa de R-134a. (2) R-407B es una mezcla de 9 a 11% en masa de R-32 + 68 a 72% en masa de R-125 + 18 a 22% en masa de R-134a.
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Ciclos Frigoríficos 433
(3) R-407C es una mezcla azeotrópica ternaria de R-32, R-125 y R-134a en proporción 23/25/52% en peso. Límites: 22 a 24% en masa de R-32, 23 a 27% en masa de R-125 y 50 a 54% en masa de R-134a. Los refrigerantes R-407 son un buen sustituto para el R-22 que, como veremos enseguida, está condenado a desaparecer de la mayor parte de las aplicaciones. (4) HX4 es una mezcla de R-32, R-125, R-143m y R-134a en proporción 10/33/36/21% 10/33/36/21% en peso. (5) MHC 50 es una mezcla de 50% en peso de R-290 y R-600a. Selección del fluido frigorífico Cuando reflexionamos sobre el problema de la selección de un fluido frigorífico de compresión de vapor vemos de inmediato que la elección obvia es el vapor de agua, tanto desde el punto de vista del precio como de las características de sustancia inocua, comparativamente no corrosiva, facilidad de obtención al estado puro, estabilidad físico-química y seguridad de su empleo. Por desgracia, las propiedades termodinámicas del vapor de agua no lo convierten en la mejor elección aunque no sea imposible usarlo, como de hecho se usó en el pasado. La causa de que no se use extensivamente el vapor de agua en ciclos frigoríficos de compresión de vapor es la presión extremadamente pequeña que debe tener el evaporador para poder alcanzar las bajas temperaturas que nos interesan en la práctica. Si la evaporación se hiciese a presión atmosférica habría una temperatura de 100 ºC en el evaporador, difícilmente un valor aceptable en refrigeración. Supongamos ahora que estamos pensando en un sistema de refrigeración para el aire acondicionado de una oficina, donde nos proponemos mantener una temperatura del aire de 20 ºC. Para que el sistema de aire acondicionado sea efectivo técnica y económicamente tiene que enfriar una parte del aire; por ejemplo la quinta parte, a una temperatura menor, digamos a unos 10 ºC. A una temperatura de 10 ºC en el evaporador la presión de vapor tendría que ser de alrededor de 12 mbar, o sea unos 0.0125 Kgf /cm2. Si queremos alcanzar una temperatura menor, como ser 0 ºC para fabricar hielo, necesitaríamos operar el evaporador a una presión de 0.00623 Kgf /cm2. Cuando enfrentamos el problema práctico de manejar grandes cantidades de masa de vapor de agua a tan bajas presiones se plantean de inmediato dos dificultades serias. La primera, es la propia presión, que es muy baja. Resulta complicado (¡y muy caro!) mantener estanco el sistema cuando funciona bajo vacío. La segunda es que a muy baja presión el vapor de agua tiene una densidad muy pequeña, o lo que es lo mismo un volumen específico demasiado grande, lo que demandaría un tamaño desmesurado de tuberías y compresor y un consumo gigantesco de energía en el compresor para poder manejar el caudal de masa necesario para alcanzar un efecto frigorífico adecuado. Vemos entonces que el fluido frigorífico apropiado no sólo debe tener un bajo punto de ebullición (que es el que determina la temperatura del evaporador, y por lo tanto de la cámara fría) sino también una densidad lo mas elevada que sea posible para que el consumo de energía en el compresor por unidad de masa de fluido que circula sea lo mas bajo posible. Esto requiere moléculas con peso molecular elevado, cosa que el agua no tiene, y el amoníaco mas o menos. La necesidad de encontrar fluidos frigoríficos que cumplan estas condiciones impulsaron las investigaciones y se obtuvieron una limitada cantidad de fluidos que cumplen estos requisitos, además de otras propiedades que detallamos a continuación. 1. Temperatura y presión de ebullición en el el evaporador. Conviene Conviene que la presión de ebullición ebullición sea mayor que la atmosférica para que el equipo no funcione al vacío, ya que cualquier filtración podría admitir aire y humedad al interior del circuito de fluido frigorífico, lo que sería muy perjudicial. Para evitar esa filtración, sería necesario que la pared de los tubos sea gruesa, lo que dificulta el intercambio de calor. 2. Temperatura de congelación. La temperatura de congelación del fluido refrigerante debe ser muy inferior a la mínima temperatura alcanzada por el sistema para alejar cualquier peligro de que se congele el fluido. 3. Temperatura y presión críticas. Conviene que el sistema sistema funcione a presión y temperatura muy inferiores a los valores críticos. Si no fuese así sería difícil licuar el fluido refrigerante o el enfriador de vapor en la etapa posterior al compresor tendría dimensiones exageradas. Esto se debe a que el enfriamiento que se produce en el condensador ocurriría en la zona de gas, en lugar de ocurrir en la zona de coexistencia líquido-vapor, en la cual los coeficientes de intercambio de calor son mayores y en consecuencia habrá un intercambio de calor también mayor. Por otra parte, al ser menores los gradientes de temperatura requeridos, resulta también menor la irreversibilidad lo que mejora el rendimiento. 4. Presión media de operación del equipo. Los componentes críticos (el evaporador y el condensador de vapor) deben ser muy robustos si el equipo funciona a una presión elevada, lo que encarece el equipo. Además el consumo de energía en el compresor resulta demasiado grande.
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5. Volumen específico pequeño pequeño (o densidad grande); grande); como acabamos de explicar, es un requisito necesario para mantener acotado el consumo de energía del compresor. Esta propiedad está íntimamente ligada con el peso molecular, porque a mayor peso molecular mayor densidad del vapor, de modo que resultan preferibles los fluidos frigoríficos mas pesados. 6. Calor latente y calor específico del líquido. Conviene Conviene que el calor latente de vaporización vaporización del líquido sea elevado y el calor específico del líquido sea pequeño. La razón de este requisito es la siguiente: la expansión isentrópica en turbina no es rentable por lo que se realiza en una restricción (etapa c→d). En la restricción el fluido pasa de la presión P c a la presión P d d y por cada kilogramo de fluido x λ) que proque la atraviesa se vaporiza una fracción x que requiere una cantidad de calor igual a ( x duce un enfriamiento desde la temperatura T c hasta la temperatura T d d de modo que si por la estrangulación pasan (1 + x) Kg de fluido el balance de calor resulta: Cp (t c − t d ) Cp (t c − t d ) = λ x ⇒ x = λ La fracción x de líquido evaporado durante la estrangulación no proporciona frío útil en el evaporador y pasa por este sin utilidad alguna, debiendo ser comprimida posteriormente en el compresor, es decir, se comporta como un fluido inerte desde el punto de vista de su efecto frigorífico. Por lo tanto, es conveniente reducir esta fracción al mínimo. Para ello resulta preferible que el fluido tenga un bajo calor específico, o un alto calor latente, o ambos a la vez. De esta manera el caudal másico del refrigerante es menor, lo que redunda en beneficios por varias razones. En primer lugar, el costo del refrigerante es mas bajo. En segundo término, el compresor debe impulsar menor cantidad de fluido, lo que significa un menor tamaño del compresor y también por supuesto un menor costo de operación. 7. Temperatura máxima alcanzada en el compresor. Esta tiene una relación muy estrecha con el exponente adiabático o politrópico. Conviene que la temperatura máxima alcanzada en el compresor sea lo mas baja posible, para que el condensador tenga un tamaño pequeño. Además los fluidos frigoríficos que tienen temperaturas elevadas de salida del compresor presentan mayores problemas de formación de lodos y separación del aceite lubricante. La temperatura máxima alcanzada en el compresor tiene una relación muy estrecha con el exponente adiabático o politrópico. Cuanto mas elevado es el peso molecular tanto mas cercano a 1 resulta el exponente adiabático del gas y tanto menor resulta el valor de la temperatura máxima alcanzada en la descarga del compresor. 8. Entropía del vapor saturado. Esta debe permanecer constante o aumentar ligeramente con la presión para que el fluido pueda entrar al condensador como un vapor húmedo o saturado. De este modo el condensador tiene menor tamaño, y presenta menor resistencia al flujo. 9. Miscibilidad del fluido fluido frigorífico. El fluido se debe poder poder mezclar con el aceite aceite lubricante en una amplia gama de valores, para que el aceite pueda ser arrastrado hacia el compresor y haya una lubricación efectiva, particularmente en equipos industriales que usan compresores recíprocos. 10. Viscosidad baja. El fluido frigorífico está en constante circulación. La viscosidad elevada produce mayores pérdidas por fricción en las tuberías y válvulas, que deben ser compensadas por el compresor, que ve así incrementado su consumo de energía. 11. No toxicidad. Los fluidos frigoríficos no pueden ser tóxicos, para que no peligre la s alud de los usuarios en la eventualidad de una fuga accidental del fluido al exterior. Además no pueden ser contaminantes del medio ambiente, ni se admite una toxicidad siquiera residual cuando están o pueden estar en contacto con alimentos. 12. Conductividad térmica. Conviene que el líquido tenga una gran conductividad térmica para que la operación del evaporador sea mas eficiente 13. Baja capacidad de corrosión. Cuanto mas inerte sea el fluido, tanto menor ataque produce en las partes críticas del compresor y del sistema. 14. Costo. El fluido debe ser económico y no debe ser explosivo. 15. Estabilidad. El fluido debe debe ser estable durante períodos prolongados. Como solución de compromiso que aunque no satisface todas estas condiciones al menos satisface la mayor parte de las mismas, se encontraron tres sustancias: el amoníaco, el dióxido de azufre y el cloruro de metilo. Todos ellos son tóxicos, pero el amoníaco es el menos tóxico y todavía se continúa usando. El amoníaco seco resulta particularmente atractivo debido a su elevado calor latente, a su bajo costo y a que sólo requiere presiones moderadas. La presión en el evaporador está por encima de la presión atmosférica en los ciclos de amoníaco seco que funcionan a temperaturas superiores a –28 ºF, o sea –33 ºC. No es corrosivo para las aleaciones ferrosas, aunque sí lo es para las aleaciones cuprosas, como el bronce y el latón, y en menor medida para el aluminio. Por ser una sustancia irritante muy activa para los ojos, pulmones y nariz, tiene un nivel de riesgo de medio a alto. Además en dosis masivas es tóxico y también es inflamable.
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En el pasado se usaron derivados clorados de los hidrocarburos mas livianos, como el cloruro de metilo Debido a su toxicidad ya no se usa mas desde hace mas de cincuenta años. En su lugar se crearon otros derivados denominados cloro fluoro carburos, emparentados con el cloruro de metilo pero sin su elevada toxicidad. Creación de los CFC En la década de 1920 se produjeron una serie de accidentes graves y fatales por escapes de cloruro de metilo de tuberías en instalaciones frigoríficas que impulsaron un trabajo en el que participaron varias empresas privadas para buscar fluidos alternativos. Este culmina en 1928 cuando la General Motors patentó el primer hidrocarburo halogenado (CFC o Cloro Cloro Fluoro Carburos, es decir, derivados clorados, bromados y florados de hidrocarburos) lo que permite la construcción de los primeros acondicionadores de aire en 1932. Sin los CFC los acondicionadores de aire no podrían funcionar a los costos actuales. Lamentablemente, la última propiedad de la lista anterior (número 14) es la responsable de una gran cantidad de problemas atmosféricos. Los cloro fluoro carburos (CFC) son tan estables que cuando se descargan a la atmósfera las moléculas se difunden hasta la estratosfera donde son descompuestas por la radiación ultravioleta, liberando átomos de cloro que destruyen la capa de ozono. Esta destrucción del ozono es uno de los factores causantes del efecto invernadero que produce el recalentamiento global. Además la atmósfera con menos ozono tiene menor capacidad para detener la radiación ultravioleta de alta energía (UV-B de 280 a 320 nm) que produce cáncer de piel y destruye los cultivos. Se ha descubierto que un solo átomo de cloro liberado en la alta atmósfera por los CFC puede destruir unas 100000 moléculas de ozono, como consecuencia de una serie de reacciones en cadena. La reacción está catalizada (entre otras sustancias químicas) por el bromo, razón por la cual los CFC que contienen bromo están en vías de desaparecer. Nomenclatura de los fluidos refrigerantes ¿Qué significado tienen los nombres de los refrigerantes?. Tomemos por ejemplo el R-11. La R está designando obviamente a un refrigerante. Todos los refrigerantes contienen carbono y algunos pueden contener uno o mas halógenos: cloro, bromo o flúor. También pueden contener hidrógeno. De este modo, la fórmula general de los refrigerantes se puede escribir en forma condensada como sigue.
Cx Hy Fz Cl Cln
Regla del 90 La regla del 90 establece que se debe cumplir la siguiente relación. x y + 90 = x y z En cuanto al valor de n se debe ajustar para que se cumplan las leyes de estructura química de estos compuestos. Se puede demostrar fácilmente que: n = 2(x +1) +1) – y – z La forma de deducir la composición química de un refrigerante a partir de su nombre es la siguiente. Se aplica la regla del 90 al valor que sigue a la R del nombre; por ejemplo el R-11 nos da: 11+ 90=101, lo que significa que x = 1, y = 0, z = 1. La cantidad de átomos de cloro se calcula entonces de inmediato: n = 2(1+1) – 1 = 4 – 1 = 3 . Finalmente, la fórmula química del R-11 es: C1F1Cl3 = CCl3F. Los fluidos comúnmente usados en las instalaciones grandes (mas de 50000 frigorías/hora) son el amoníaco y los CFC siendo mas usual el amoníaco. En instalaciones pequeñas y medianas se usan los CFC, que están cuestionados por ser perjudiciales para la capa de ozono. Los freones tienen temperaturas de ebullición del mismo orden que el amoníaco pero permiten operar a presiones menores, con lo que el costo de operación baja debido al menor costo de compresión. El amoníaco es tóxico y corrosivo, pero es mas usado en la actualidad en instalaciones grandes. Los freones tienen varias ventajas sobre el amoníaco. No son tóxicos ni inflamables; por otro lado su costo es mayor. Se dividen según su composición química en cloro fluoro carburos (CFC), bromo fluoro carburos (BFC), hidro cloro fluoro carburos (HCFC) e hidro fluoro carburos (HFC). Los más agresivos para el medio ambiente son los CFC y BFC, de modo que su fabricación está prohibida en todo el mundo a partir del año 2004. Menor impacto tienen los HFC. Por ese motivo, su producción está permitida pero se limita el uso a partir del año 2004. Otros fluidos que se pueden seguir usando son mezclas azeotrópicas de HCFC, como los refrigerantes R-400 y R-500 a R-504. Debido a los cuestionamientos que se hacen a los CFC y BFC, se puede usar otro gas de las mismas propiedades: el HFC-134a, químicamente 1,1,1,2 tetra flúor etano (un HFC), llamado normalmente “freón 134” o R-134a, que no perjudica tanto la capa de ozono. El R-134a reemplaza al R-12. Fórmula química: CH2F–CF3. Sinónimos: 1,1,1,2-tetrafluoroetano, HFC-134a, Freon 134a, SUVA-134a, Genetron-134a, Forane-134a, KLEA-134a. Características físicas: se trata de un
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gas que se encuentra líquido bajo presión moderada, incoloro, con un olor ligeramente etéreo. No inflamable. Peso molecular: 102.03. Punto normal de ebullición: –26.1 ºC = –15 ºF. Temperatura crítica: 101.1 ºC = 214 ºF. Presión crítica: 4.06 MPa = 589 psia. Aplicaciones típicas: refrigeración de media temperatura, aire acondicionado. Esto lo incluye dentro de la inmensa mayoría de las aplicaciones en electrodomésticos y de refrigeración de vehículos. Índice de riesgo o peligrosidad (índice Hazard Class): HC 2.2. En el Apéndice al final de este capítulo se encuentran gráficas de propiedades termodinámicas de algunos fluidos refrigerantes, tanto antiguos como de bajo impacto ambiental. La elección del fluido de trabajo depende de la temperatura que se desee obtener. Dentro de las temperaturas mas comunes (–5 a –40 °C) tenemos el amoníaco, el cloruro de metilo, varios freones, etano, etc. A temperaturas inferiores tenemos algunos freones, el propano etc. La primera y principal cualidad que debe tener el fluido frigorífico es que su temperatura de ebullición debe coincidir con la temperatura que se desea obtener en la cámara fría, o ser algo menor. El gráfico que vemos a continuación muestra las temperaturas de ebullición de algunos fluidos frigoríficos en función de la presión.
En el extremo derecho de las curvas de algunos fluidos se observa una letra C que simboliza la posición del punto crítico. Si se analiza esta figura se deducen algunas conclusiones interesantes. Por ejemplo el dióxido de carbono tiene una presión de vapor mucho más alta para la misma temperatura que cualquiera de los freones y que el amoníaco, y su punto triple está situado a una temperatura relativamente elevada. Esto hace que sea poco atractivo como fluido frigorífico para bajas temperaturas, sin contar con que su presión operativa es demasiado alta. Esto es malo, porque significa que se necesitan equipos mas robustos para poder soportar la mayor presión y un mayor costo de compresión para el mismo efecto que usando otros fluidos. El siguiente gráfico muestra la curva de presión de vapor en función de la temperatura de ebullición de algunos fluidos.
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El fluido debe tener además varias otras propiedades: a la temperatura de trabajo debe tener temperaturas de ebullición y condensación muy parecidas para no recargar el compresor, baja temperatura de sobrecalentamiento de vapor durante la compresión, y una baja relación de calor específico sobre calor latente de ebullición. A la izquierda observamos una gráfica de calor latente en función de la temperatura para diversos fluidos frigoríficos comunes. De los fluidos comunes, el amoníaco por ejemplo presenta un calor latente muy alto y esto es lo que lo hace tan usado. Sin embargo no se puede comprimir con compresores centrífugos, lo que obliga a usar otros diseños. Con este fin se usan compresores de diversos diseños mecánicos, como compresores a tornillo. Para procesos de amoníaco o fluidos frigoríficos parecidos las temperaturas normales de evaporador y condensador son de –5 a –20 y de 10 a 30 °C respectivamente. r espectivamente. Otros agentes frigoríficos usados en instalaciones industriales son el etano y el propano, así como derivados florados de los hidrocarburos mas simples, como el HFC-134a, ya mencionado antes. Desde el punto de vista histórico, el primer fluido frigorífico fue el éter etílico; la primera instalación frigorífica por compresión de vapor de éter etílico se puso en marcha en 1834. Mas tarde se reemplazó el éter etílico Introducción a la Termodinámica – Jorge A. Rodriguez
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(muy peligroso por ser altamente explosivo al comprimirlo) por éter metílico, que también plantea diversos problemas de seguridad, y luego por anhídrido sulfuroso (dióxido de azufre); no obstante, este último es muy tóxico. En 1874 el ingeniero alemán R. Linde (conocido por ser el creador del proceso de licuación del aire llamado con su nombre) creó la primera instalación frigorífica por compresión de amoníaco. Si bien el amoníaco es tóxico, no lo es tanto como el dióxido de azufre y es mucho mas eficiente como fluido frigorífico. En 1884 Linde inventó el proceso frigorífico por compresión de dióxido de carbono o anhídrido carbónico. Ese fluido ha caído en desuso debido a su menor calidad como agente frigorífico, pero el proceso Linde se sigue usando en la actualidad para producir anhídrido carbónico sólido, también llamado nieve carbónica. Supongamos tener una instalación que opera entre las temperaturas de 30 °C y –15 °C para una potencia frigorífica de 3330 Kcal por hora. La siguiente tabla permite comparar algunos fluidos frigoríficos en esta instalación. Fluido frigorífico
cef
Caudal de fluido [Kg/hr]
Dióxido de carbono 2.56 96.0 Amoníaco 4.85 11.2 Freon 12 4.72 106.8 HFC-134a 4.62 94.2 Anhídrido sulfuroso 4.74 39.4 Cloruro de metilo 4.67 39.6 Propano 4.88 44.9 Para comparar los distintos fluidos tenemos dos variables: el cef y el caudal de masa requerido. El cef del ciclo de Carnot equivalente es 5.74, y el fluido que mas se acerca al máximo teórico es el propano, pero el amoníaco tiene un caudal menor, lo que lo hace preferible ya que los costos iniciales son mas bajos debido a que se necesita menor cantidad de fluido. Además, si bien ambos son inflamables el propano es mas riesgoso que el amoníaco, ya que es mucho mas inflamable, si bien no es tóxico. El caudal horario entregado por un compresor alternativo se puede obtener fácilmente de las dimensiones del cilindro. Así para compresores de una sola etapa, siendo d el diámetro, N la velocidad en rpm y c la carrera tenemos: V = ηV (π / 4 )d 2 60 N c = 47.12 ηV d 2 N c (10-6) Ejemplo 10.1 Cálculo de un equipo frigorífico.
Calcular el equipo refrigerante a vapor de amoníaco para un consumo de 100000 frigorías/hora operando con temperatura del evaporador de –10 °C y del condensador de 25 °C con un compresor alternativo de una etapa (simple efecto). Solución En un diagrama T-S del NH3 trazamos el recorrido del ciclo. El calor absorbido por el NH3 en la cámara es: frig./ hr. Q1 = 298 7 − 28 1 = 270 6 frig./ El trabajo entregado por el compresor: W = 340.5 − 298.7 = 41.8 frig./hr. El calor cedido al condensador es: Q2 = 270.6 + 41.8 = 340.5 − 28.1 = = 312.4 frig./hr. El coeficiente de eficiencia frigorífica cef es: 270 6 cef = = 6 47 418 41 8 Comparando con el ciclo de Carnot, el cef de Carnot es: 263 cef Carnot = = 7 51 298 − 263 El cociente de cef del ciclo real sobre el de Carnot es: .
.
.
.
.
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.
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• El refrigerante debe tener una presión razonable, preferentemente un poco más alta que la presión atmosférica a la temperatura requerida que debe mantenerse en el evaporador. • Par a evitar un pesado diseño de la planta de refrigeración la presión a la que corresponda una condensación normal no debe ser demasiado alta. • Se requiere en el refrigerante un calor de evaporación relativamente alto para que la transmisión de calor se lleve a cabo con el mínimo posible de refrigerante en circulación. • El vapor no debe tener un volumen específico espec ífico demasiado alto puesto que esto es determinante de la carrera del compresor a una determinada producción de frío. • El refrigerante necesariamente necesariamente ha de ser estable a las temperaturas y presiones normales en una planta de refrigeración. • El refrigerante no debe ser corrosivo y necesariamente tanto en forma líquida o vapor no atacará a los materiales normales de diseño en una planta frigorífica. • El refrigerante necesariamente no debe destruir al aceite de lubricación. El refrigerante necesariamente ha de ser fácil de adquirir y manipular.
Refrigerantes fluorados Los refrigerantes fluorados siempre llevan la designación "R" seguido de un número, por ejemplo: R134a, R404A, R510, etc. Muy a menudo también se emplean sus nombres comerciales. Los refrigerantes fluorados todos tienen las siguientes características: características: • Vapor sin olor y no es irritante. No son venenosos, excepto en presencia del fuego pueden dar ácido.• No son corrosivos. • No son inflamables ni explosivos. Los refrigerantes fluorados más comunes son: R407C y R410, Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor. R134a normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de entre otras cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente pequeño. R404a, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan más bajas temperaturas. Además de estos r efrigerantes efrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417, R508a, etc. Amoniaco NH3. El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor característico incluso en pequeñas concentraciones concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoniaco. Refrigerantes secundarios Como medio de la transmisión del calor del evaporador a su alrededor se emplean los llamados "refrigerantes secundarios". Se puede usar por ejemplo: agua, salmuera y aire.
Calculo de un equipo frigorifico 1. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor Considere un sistema de refrigeración que opera en un ciclo ideal con R-134a , como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor con una temperatura en el evaporador de 5 ºF y una temperatura de salida en el condensador de 110 ºF. Si el rendimiento adiabático del compresor es de 80%. El flujo másico del refrigerante es 5 lbm/min. Determine: a. Potencia real suministrada al compresor en hp. b. Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado en toneladas. c. Coeficiente de funcionamiento d. Desplazamiento efectivo, en pie 3/min Suposiciones: Existen condiciones estables de operación y los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables. despreciables. El esquema y diagrama (T-s y P-h) para un ciclo simple ideal por compresión de vapor es el siguiente: 7
Datos; R -134a Se especifican los datos que nos proporciona el ejercicio en la tabla siguiente. Debido a que el análisis a realizar en el ciclo es energético, se procede a determinar los valores de entalpía en cada punto del ciclo según lo planteado teóricamente. ITEM
Estado
P (Psia)
1
Vapor Sat
2
Vapor Sob.
161.04
3
Líqui.Sat
161.04
4
Mezcla
T ºF
h (Btu/lbm)
S (Btu/lbmR)
Vf (ft Vf (ft3/lbm)
5
102.47
0.2219
1.9208
119.55
0.2219
110
47.81
5
47.81
Se debe encontrar la entalpía 1: En la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de vapor saturado, se busca el valor de hg a la temperatura de 5ºF, y a su vez la Sg . Se desea conocer la h2, en la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de vapor sobrecalentado, con dos propiedades pero solo se conoce la S1 = S2= 0.2219, estaría faltando otra propiedad que permita ubicar en las tablas el valor de la entalpía h2 , al estudiar el diagrama Presiónentalpía, se reconoce que P2 = P3 , la cual se ubica en la tabla de saturación a T3 = 110ºF , Cuyo valor es de P3 = 161.04 Psia , ahora en la tabla de vapor sobrecalentado se ubica h2 , para lo que es necesario interpolar:
Para presión de 160 Psia
h (Btu/lbm) 118.89 Y=? 124.41
Donde Y= h2 a 160 Psia;
Para presión de 180 Psia
h (Btu/lbm) 117.41 Y=? 123.21
Donde Y= h2 a 180 Psia;
S(Btu/lbm R) 0.2209 0.2219 0.2303
h2=119.47 Btu/lbm
S(Btu/lbm R) 0.2166 0.2219 0.2264
h2=120.54 Btu/lbm 8
Ahora para presión de 161.64 Psia, se interpola entre los valores obtenidos anteriormente, P (Psia) 160 161.64 180 Donde Y= h2 a 161.64 Psia;
h (Btu/lbm) 119.47 Y=? 120.54
h2=119.55 Btu/lbm
Para ubicar la h3: En la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de líquido saturado, se busca el valor de hf = h3 a la temperatura de 110 ºF. Y analizando el diagrama Presión – entalpía, se observa que la h3 = h4, debido a que en la válvula de estrangulamiento estrangulamiento existe un proceso isoentálpico. isoentálpico.
a) Para determinar la potencia real de compresión, se plantea conseguir la potencia ideal y con la eficiencia proporcionada proporcionada como dato, se calcula la potencia real. Se realiza el balance de energía en el compresor Entonces:
(119.55 Btu/lbm – Btu/lbm – 102.47 Btu/lbm) * 5 lbm/min 85.4 Btu/min Se plantea la ecuación de eficiencia adiabática del compresor y se resuelve calculando la potencia real del compresor.
85.4 Btu/min 0.80 106.75 Btu/min * 0.02356 hp = 2.51 hp 1 Btu/min b) La Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado en toneladas, es la capacidad de refrigeración que se obtiene determinado la cantidad de calor absorbido por el evaporador (efecto refrigerante). refrigerante).
Entonces;
(102.47 Btu/lbm - 47.81 Btu/lbm) * 5 lbm/min 273.3 Btu/min *
1 tonref 200 Btu/min
= 1.36 tonref
c) Para determinar el COP es necesario aclarar que debido a que ya se determinó la potencia real de compresión el COP a determinar se tomará en cuenta este valor.
273.3 Btu/min 106.75 Btu/min
= 2.56 9
Ciclos Frigoríficos 439
cef real
6.47
= 0.86 7.51 La cantidad de NH3 necesaria la calculamos del cociente de la capacidad del equipo sobre el calor absorbido en la cámara: frigorías 100000 hora = 370 Kg/hora de amoníaco frigorías 270.6 Kg El rendimiento isentrópico del compresor es: cef Carnot
η S
=
P 2 10.22 = 0.73 0 . 86 0 . 038 = − 2.97 P 1
= 0.86 − 0.038
Entonces la potencia del compresor será: 370 Potencia teórica:
Kg hora
× 41.8 Kcal
frig. Kg
= 24.5 CV
633 hora CV 24 5 = 33 5 CV 0 73 η S En consecuencia, el rendimiento de la potencia instalada será: frig. 100000 hora = 4000 frigorías 25 CV CV − hora Este rendimiento es un poco bajo; en realidad, probablemente el compresor debiera ser de dos etapas. Del 2 P = 2.97 Kgf /cm , T = 263 °K, x = 1) que diagrama entrópico del NH3 obtenemos al inicio de la compresión ( P el volumen específico es: v = 0.418 m 3/Kg. Por lo tanto el caudal horario que debe manejar el compresor es: 3 3 V = 370 Kg/hora×0.418 m /Kg = 154.66 m /hora De donde: P 2 10.22 = 1.0 − 0.05 × 3.44 = 0.83 ηV = 1.0 − 0.05 1 . 0 0 . 05 = − 2.97 P 1 Adoptamos c/d = 1.2, N = 320 rpm y obtenemos de la (10-6): 154.66 d = = 217 mm 47.12 × 0.83 × 320 × 1.2 Por lo tanto c = 261 mm y el compresor tiene dimensiones razonables. La potencia potencia real es: Pot. real =
Pot. Pot. teóric teórica a
=
.
.
.
Ejemplo 10. 2 Cálculo de un equipo frigorífico.
Un sistema de refrigeración por compresión de vapor emplea Freón-12 con un caudal másico de 6 Kg/min. El refrigerante entra en el compresor como vapor saturado a 1,5 bar, y sale a 7 bar. El rendimiento isentrópico del compresor es del 70 %. El fluido abandona el condensador como líquido saturado. La temperatura de la cámara es de –10 °C, y la del ambiente 22 °C. No hay pérdidas de calor ni de presión en el circuito de refrigerante. Se pide: a) Representar el proceso en los diagramas termodinámicos T-S y P-H . b) Calcular el máximo coeficiente de eficiencia frigorífica de un equipo que opere entre estas dos fuentes. c) Calcular el coeficiente de eficiencia frigorífica real de este ciclo. d) Calcular la capacidad de refrigeración, en Kw. e) Calcular el rendimiento exergético de la instalación. Solución
Introducción a la Termodinámica – Jorge A. Rodriguez
Ciclos Frigoríficos 440
El diagrama de flujo del sistema es el que vemos a continuación.
a) Los diagramas termodinámicos T-S y P-H se pueden observar a continuación.
Las propiedades termodinámicas que corresponden a cada punto en los diagramas anteriores se muestran en la siguiente tabla. Los valores que definen el estado de cada punto se ven en negrita. Se obtuvieron de la gráfica de propiedades del R-12 que figura en el Apéndice al final de este capítulo. Estado P [KPa] T [°C] h [KJ/Kg] s [KJ/Kg K] x [adimensional] 150 –20.1 179.07 1 1 0.7103 700 0.7103 2s 206.24 700 2 217.88 700 0 3 27.7 62.24 150 –20.1 62.24 4 b) El coeficiente de eficiencia frigorífica máximo para este sistema se calcula suponiendo un comportamiento de máquina de Carnot reversible, de modo que obtenemos: 263 263 cef Carnot = = = 8.22 22 − (− 10 ) 32 c) El coeficiente de eficiencia frigorífica real de este ciclo se calcula a partir de los datos de la tabla. Q& 2 h −h 179.07 − 62.24 cef = = 1 4 = = 3.01 & 217.88 − 179.07 W h2 − h1 d) La capacidad de refrigeración, en Kw se puede calcular a partir del balance de energía en el evaporador. Puesto que el calor tomado en la fuente fría debe ser igual a la variación del contenido de energía del fluido frigorífico, tenemos la siguiente igualdad. 6 KJ & (h1 − h4 ) = Q& 2 = m (179.07 − 62.24 ) = 11.68 = 11.68 KW 60 seg e) El rendimiento exergético de la instalación se calcula haciendo el cociente de las exergías obtenidas (que dependen del calor que cede la fuente fría en la cámara fría) sobre las exergías consumidas, que equivalen al trabajo del compresor. Es decir: ηex
=
B& q
& W
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Ciclos Frigoríficos 441
En cuanto a las exergías obtenidas, se obtienen tomando en cuenta el intercambio de calor. Recordemos que se trató esta cuestión en el apartado 5.14.2 del capítulo 5. Allí obtuvimos la ecuación (5-51) que nos permite calcular la exergía del calor. B& q
= Q& 2 −
T 1 T 2
Q& 2
En consecuencia, reemplazando tenemos: Q& 2
ηex
=
= Q& 2 1 −
T 2 T 1
T 1 1 − T 1 1 − 295 = 0.366 T 2 = cef 1 3 . 01 − = & W 263 T 2
Es decir que el rendimiento exergético es el 36.6%. Ejemplo 10.3 Cálculo de un equipo frigorífico.
Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere eliminar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Determinar la potencia del compresor, el caudal de masa de fluido refrigerante que circula por unidad de tiempo y el coeficiente de efecto frigorífico. Comparar con los resultados del ejemplo anterior. Solución La carga de calor a eliminar en unidades SI equivale a 116300 J/seg. Las temperaturas absolutas son: temperatura de salida del condensador = 298 ºK; temperatura operativa del evaporador = 263 ºK. En el diagrama de propiedades termodinámicas del HFC-134a que encontramos en el Apéndice al final de este capítulo se ubican los puntos siguientes: 1 al ingreso al compresor. 2 a la salida del compresor e ingreso al condensador. 3 a la salida del condensador e ingreso a la válvula expansora, y 4 a la salida de la válvula expansora e ingreso al evaporador. Las propiedades de interés para el cálculo en esos puntos son las siguientes. Punto
Temperatura [ºK]
Presión [Pa]
Entalpía [J/Kg]
Título [%]
1 263 200601 392866 0 2 303 666063 417455.7 0 3 298 666063 234643 0 4 263 200601 234643 23.24 Calculamos la potencia requerida del compresor, obteniendo 18.1 KW, lo que equivale a 24.2 HP. La cantidad de calor extraída en el condensador es: 134373.3 J/seg. El coeficiente de efecto frigorífico cef es: 6.435. El caudal de masa de HFC-134a es: 0.735 Kg/seg. Comparando el comportamiento del equipo actual que usa refrigerante HFC-134a con el del equipo del ejemplo anterior, que para la misma carga calórica operaba con amoníaco, notamos que el cef obtenido es menor en el caso actual (6.345) comparado con el cef del equipo que funciona con amoníaco que vale 6.47. El caudal de masa de amoníaco que circula es del orden de 0.1 Kg/seg comparado con el caudal de 0.735 Kg/seg de refrigerante HFC-134a, siendo además que este último es mucho mas caro. El consumo de energía en el equipo que opera con refrigerante HFC-134a es algo menor (24.2 HP) comparado con el del que opera con amoníaco, que es del orden de 24.5, ambos en base teórica, sin considerar rendimientos del compresor. 10.2.2 Efecto de disminuir la temperatura operativa del condensador ¿Qué efecto tiene la disminución de la temperatura operativa del condensador?. Es fácil ver en la segunda figura del apartado 10.2 que si esta temperatura disminuye, el punto c se desplazará hacia la izquierda, y en consecuencia también lo hace el punto d, que se encuentra sobre la isoterma inferior, dando como resultado un título menor o sea menor proporción de vapor y mayor de líquido. Esto es beneficioso porque cuanto mayor sea la proporción de líquido tanto mayor será la cantidad de calor absorbida por el fluido refrigerante en la cámara fría. Operativamente es posible disminuir la temperatura del condensador de tres maneras. Una es mediante un fluido de enfriamiento de menor temperatura. Por ejemplo en un condensador de aire es posible obtener una menor temperatura de funcionamiento si se puede usar agua, que por lo general está disponible a menor temperatura que el aire atmosférico. La segunda forma es limpiar mas a menudo el condensador. El uso lo ensucia gradualmente. Esto es inevitable, pero si se limpia con frecuencia el efecto del ensuciamiento se hace menor. Por último, la tercera forma es agrandando el condensador. Al haber mayor superficie de intercambio, el grado de enfriamiento es mayor y baja la temperatura de salida del condensador.
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Ciclos Frigoríficos 442
Ejemplo 10.4 Cálculo de un equipo frigorífico.
Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere eliminar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Debido a una combinación de limpieza mas frecuente y una menor temperatura del fluido de enfriamiento el condensador opera a 20 ºC (5 ºC menos que antes). Determinar la potencia del compresor, el caudal de masa de fluido refrigerante que circula por unidad de tiempo y el coeficiente de efecto frigorífico. Comparar los resultados con los del ejemplo anterior. Solución La carga de calor es la misma que en el punto anterior, pero la temperatura del condensador se modifica a 278 ºK. En el diagrama de propiedades termodinámicas del HFC-134a que encontramos en el Apéndice al final de este capítulo se ubican los puntos igual que antes obteniendo los siguientes valores. Punto
Temperatura [ºK]
Presión [Pa]
Entalpía [J/Kg]
Título [%]
1 263 200601 392866 100 2 297 572259 414430.6 100 3 293 572259 227526 0 4 263 200601 227526 19.798 La entalpía de la mezcla líquido-vapor a la salida de la válvula de estrangulación se modifica disminuyendo coincidentemente, lo que resulta en una mayor capacidad de enfriamiento. Esto significa que se necesita menor caudal de fluido frigorífico, y como consecuencia el compresor es mas chico, consumiendo menor cantidad de energía: 15.2 KW, o sea un 16% menos. Esto es consecuencia del menor caudal de masa de HFC-134a que circula: 0.703 Kg/seg. El coeficiente de efecto frigorífico aumenta: 7.667. Note que se ha disminuido el consumo de energía del equipo, lo que se refleja en un cef mas alto. También notamos que el título del fluido (expresado como masa de vapor sobre masa total) a la salida de la válvula es menor, lo que es lógico ya que el punto 4 se encuentra desplazado hacia la izquierda. El equipo funciona mejor con la misma temperatura de cámara fría. 10.2.3 Efecto de subenfriar el líquido
Como es sabido, la estrangulación del líquido que sale del condensador genera una pérdida de capacidad frigorífica porque la estrangulación, por ser un proceso isentálpico produce una mezcla de líquido y vapor de la que sólo el líquido es utilizable para extraer calor de la cámara fría. El vapor en cambio se comporta a los efectos prácticos como un fluido inerte, porque la extracción de calor en la cámara fría se produce gracias a la evaporación del líquido. Una manera de compensar esta disminución es subenfriar el líquido en el condensador. Esto significa que en vez de salir del condensador en el estado saturado (condición c) lo hace como líquido subenfriado (condición c’) en el croquis. Siempre que sea posible, es me jor subenfriar subenfr iar el líquido en el condensador, porque aumenta el coeficiente de efecto frigorífico y disminuye la cantidad de fluido refrigerante que circula. Esto también influye sobre la potencia del compresor, ya que al circular menos fluido este resulta un poco mas chico. La ilustración muestra un ejemplo del gráfico T-S para una instalación frigorífica de este tipo. El líquido sale del condensador en la condición c’, de modo que el punto d se encuentra mas a la izquierda, y el salto de entalpía en el evaporador es mayor para la misma masa de fluido frigorífico. Ejemplo 10.5 Cálculo de un equipo frigorífico.
Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere sacar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Se subenfría el fluido desde 25 a 20 ºC. Comparar los resultados con los del ejemplo anterior. Solución La carga de calor es la misma que en el ejemplo anterior, pero subenfriando el fluido de 25 a 20 ºC. Ubicamos los puntos en el diagrama igual que antes, obteniendo los siguientes valores. Punto
1 2 3 4
Temperatura [ºK]
263 303 293 263
Presión [Pa]
200601 666063 572259 200601
Entalpía [J/Kg]
Título [%]
392866 417455.7 227526 227526
100 100 0 19.798
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2. Ciclo ideal de Refrigeración por compresión de vapor.
1. Introducción El sistema de ciclo inverso es aquel que absorbe calor de un cuerpo frío (relativamente) para cederlo a otro más caliente, sin violar la segunda ley, pero por virtud de un trabajo de entrada. Además de su bien conocido empleo en la preservación de alimentos, en la producción de hielo y en los sistemas de aire acondicionado que nos alivian del calor durante el verano, el ciclo inverso frigorífico o de refrigeración tiene muchas otras aplicaciones industriales, como en la elaboración del "caucho frío" (para mejorar su resistencia al desgaste), en los procesos de refinación del petróleo, en el tratamiento térmico del acero, en la fabricación de productos químicos y en la licuefacción de gases que se utilizan cada vez más para fines industriales y energéticos. Existen tantas aplicaciones y tanto trabajo desarrollado a muy bajas temperaturas, que esa área de la ciencia ha recibido el nombre específico de criogenia.
1-2 Compresión isentropicas de un compresor. 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4Estrangulamiento en dispositivo de expansión.
un
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4-1 Absorción de presión constante evaporador.
calor a en un
evaporador. El refrigerante se vuelve a evaporar y se finaliza así el ciclo.
El refrigerante circula en una instalación frigorífica de compresión en un ciclo cerrado con las siguientes cuatro estaciones: Evaporación 1 Compresión 2 Condensación 3 Expansión 4 La generación de frío se produce en el evaporador (1). La evaporación se produce con presiones y temperaturas bajas. El refrigerante absorbe calor del entorno, enfriándolo de este modo. El vapor refrigerante todavía frío es aspirado por un compresor (2) y mediante la utilización de energía mecánica se aumenta su presión. A través de la compresión, el vapor refrigerante se calienta. El vapor refrigerante caliente se enfría en un condensador (3) y se condensa bajo la emisión de calor en el entorno. Después, el refrigerante líquido bajo presión se expande de nuevo en un elemento de expansión (4) con la baja presión de evaporación y se conduce al
Con fluidos de trabajo que, como el agua o el refrigerante, pueden aparecer en diversas fases, el diagrama T-s presenta otro aspecto. En la parte izquierda aparece un área con el fluido de trabajo líquido y subenfriado. En el centro existe una mezcla de vapor y líquido, el vapor húmedo. A su derecha aparece el fluido de trabajo en forma de vapor y sobrecalentado.
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También el ciclo frigorífico con sus típicas transiciones de fase se puede representar en este diagrama T-s . El proceso es muy similar al conocido proceso motriz de vapor. La mayor diferencia es que el ciclo circula en el sentido contrario a las agujas del reloj. De este modo, los procesos de evaporación y condensación así como de estrangulación (expansión) y compresión (bombeo) cambian sus posiciones. La superficie cerrada corresponde al trabajo del compresor que se añade al ciclo.
cambios de estado del fluido de trabajo corresponde al trabajo realizado en el ciclo. El ciclo con el rendimiento más alta posible es el ciclo de Carnot. En este caso, la superficie cerrada es un rectángulo. Este ciclo se utiliza como proceso de referencia para describir la calidad de un ciclo. El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si se trata de un proceso de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un proceso de máquina motriz (ciclo de vapor). Los ciclos frigoríficos circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj y el trabajo representado por la superficie verde se añade al ciclo.
El ciclo ideal Un ciclo se puede representar claramente en el diagrama T-s . La temperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropía s . La superficie cerrada de los
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tóxicos son admisibles en instalaciones industriales o comerciales, donde es imprescindible que se tomen las precauciones necesarias. Los Carrenos, Freones (nombres comerciales) y el dióxido de carbono no acarrean consecuencias tóxicas, a menos que existan en tal cantidad que resulte una deficiencia de oxígeno, pero los demás de dicha tabla VI sí tienen este inconveniente, en mayor o menor grado. El cloruro de metilo no es sólo tóxico, sino que prácticamente también carece de olor; dichas sustancias de trabajo deben contener -un agente indicador (por ejemplo, acroleína, que es irritante para los ojos y la nariz).
3. Ciclo real de Refrigeración por compresión de vapor. Este ciclo es muy similar al ideal, pero con irreversibilidades debido a fricción del fluido y la transferencia de calor hacia y desde los alrededores.
4. 2. Los refrigerantes serán económicos, tanto en su costo inicial como en su mantenimiento. Entre los problemas que se requieren para mantenerIos se incluyen: control de fugas (hay menos problemas en el caso de escapes de sustancias con moléculas grandes que con el de pequeñas); lubricación adecuada (el refrigerante no debe reaccionar con el aceite lubricante destruyendo sus cualidades de lubricación); corrosión (el
4. Refrigerantes 4.1. Los refrigerantes son preferentemente no tóxicos, de manera que en caso de alguna fuga nadie está en peligro de resultar lesionado. Este atributo es de primordial importancia, por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado y en los refrigeradores domésticos, pero los refrigerantes
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refrigerante no debe corroer los materiales con los cuales esté en contacto). Además el refrigerante debe estar fácilmente disponible para reaprovisionar el sistema cuando sea necesario.
volumen de desplazamiento ideal VD es también pequeño, resulta factible utilizar compresores de movimiento alternativo; cuando VD es grande (Carreno 1, Freón 11 y Freón 113), los compresores centrífugos, que pueden marchar a gran velocidad, se vuelven necesarios.
4.3. Los refrigerantes deben ser Diversos no inflamables. hidrocarburos han sido y siguen empleándose como refrigerantes, como son el butano y el propano. Estos y algunos más (amoniaco, cloruro de metilo, etc.) constituyen un riesgo de incendios y explosiones. Los demás refrigerantes de la tabla son no inflamables.
4.5. Los refrigerantes deben tener bajas presiones de saturación a las temperaturas normales de Funcionamiento. El costo de diseño, fabricación y funcionamiento interviene también. La alta presión para el caz, que además origina un bajo cap, significa las partes pesadas y tubos de pared gruesa. Además es preferible que la presión de saturación a la temperatura del evaporador sea mayor que la presión atmosférica a fin de evitar entradas (o infiltración) de aire en el sistema. Con los modernos y mejores selladores y empaquetaduras para ejes, esto no constituye un serio problema, como sucedía antes.
4.4. Los refrigerantes probablemente poseen entalpia (o calor latente) mayor a la temperatura del evaporador (ver figura 3/2), así como bajo volumen específico. El tipo y tamaño del compresor es función de estas características físicas. Si la entalpia es elevada, se obtiene mayor efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante en circulación; si, además, el volumen específico resulta bajo, el volumen de sustancia que debe hacerse circular -y, por lo tanto, el tamaño del compresor y de los conductoses pequeño. Observemos que cuando el
4.6. Aunque los anteriores atributos son quizá los más significativos, existen algunos otros que son deseables: buena conductividad térmica (para una
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rápida transferencia del calor), capacidad de mojadura, no reactividad o inercia química (el refrigerante no debe reaccionar de ninguna manera con los materiales que toca), estabilidad (el refrigerante no debe descomponerse en materia con moléculas más pequeñas), viscosidad baja (para facilitar su escurrimiento o flujo), elevada temperatura crítica y un alto poder dieléctrico (en las unidades herméticamente selladas, donde el refrigerante se pone en contacto con los motores). Además el refrigerante refrigerante no debe solidificarse a ninguna temperatura en el ciclo.
compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la válvula de expansión que es un tubo capilar.
5. Descripción del ciclo Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida a fase de vapor. En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo: el evaporador, lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico; el condensador-enfriador, que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el
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ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA NEVERA (REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR)
2012
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6. Análisis Termodinámico de la Nevera
6.1.
Para encontrar la cantidad de calor que se extraerá en los productos guardados en el congelador se usaran las siguientes ecuaciones junto con la anterior.
Información acerca de la nevera.
Datos encontrados Refrigerante=134ª
Eficiencia del compresor=87%
Datos Tomados de tablas.
P (Psia)
h(BTU/Lb)
t (F)
1
40
107,26
22
2s
160
166,04
300
2
160
166,06
310
3
130
43,584
50
4
-
43,584
-
6.3.
Pero este Cp será diferente al de la ecuación uno porque este para cuando el producto esta congelado y el anterior para antes de congelar.
Capacidad neta total=150Lt
6.2.
La siguiente ecuación podrá ser usada para el análisis del condensador y evaporador.
Formulas que se usaran
De la siguiente ecuación despejamos el valor del trabajo real.
Para encontrar el calor que debe ser extraído de los productos que se guardaran en el conservador.
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6.4.
Calores extraídos del conservador y congelador respectivamente
Alimento
Cp (BTU/Lb*F)
m (Lb)
t(dias)
Tconservacion(F)
Tambiente (F)
Q (BTU/24 horas)
Naranja
0,91
15,428
15
50
75
23,3991333
Durazno
0,91
6,612
15
50
75
10,0282
Toronja
0,91
6,612
7
50
75
21,489
Lechuga
0,9
4,408
15
55
77
5,81856
Piña
0,9
6,612
15
55
77
8,72784
Platano
0,9
11,02
15
60
80
13,224
Mantequilla
0,6
2,204
30
68
110
1,85136
Leche
0,9
6,612
15
45
90
17,8524
Manzana
0,89
8,816
15
55
77
11,507819
Melon
0,91
8,816
7
55
77
25,21376
Zanahoria
0,93
11,02
15
60
80
13,6648
Tomate
0,92
11,02
15
55
77
14,869653
Pera
0,91
5,51
7
50
75
17,9075
Huevo
0,85
4,408
15
60
100
9,99146667
Aguacate
0,91
2,204
7
55
77
6,30344
Queso
0,64
2,204
15
65
104
3,667456
Qtotal
205,516388
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Ali men to
Ta mb. (F)
Tco ng (F)
Tsub cong (F)
m (L b)
n (di as)
0,38
h (BT U/L b) 86,5
43
31,3
-3
5
0,68
0,38
86,5
43
31,3
-3
Hig ado
0,75
0,42
103
40
30
-2
Poll o
0,19
0,37
106
42
27
-3
Res
0,75
0,4
98
50
31,3
-5
Cer do
0,68
0,38
86,5
43
27
-2
1, 10 2 8, 81 6 8, 81 6 13 ,2 24 15 ,4 28 6, 61 2
Sac hich as Jam on
Cp1 (BT U/Lb *F) 0,68
Cp2 (BTU/ Lb*F)
6.5.
Q1 (BTU/2 4 horas) 1,75350 24
Q2 (BTU/2 4 horas) 19,0646
Q3 (BTU/2 4 horas) 2,87269 36
23,69079 6
15
4,67600 64
50,8389 33
7,66051 63
63,17545 6
15
4,408
60,5365 3333
7,89913 6
72,84366 933
15
2,51256
93,4496 93,4496
9,78576
105,7479 2
15
14,4251 8
100,796 27
14,9343 04
130,1557 5
15
4,79590 4
38,1292
4,85761 6
47,78272
Q =
443,3963 12
total
Qtotal (BTU/24 horas)
Análisis de cada dispositivo
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Evaporador
De la ecuación 6
Usando la ecuación 4 mencionada anteriormente, despejamos el flujo másico del refrigerante que circula en el ciclo.
COP
Real
Capacidad de refrigeración
Ideal
Condensador Con ecuación 4 encontramos el calor cedido al ambiente por el condensador.
Compresor
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Conclusiones
Referencias bibliográficas
Se comprobó que el COP ideal es mayor al real, para la realización de este proyecto de investigación tomamos información de las especificaciones de la nevera, información de técnicos especializados en esta area y se determino hacer este sencillo análisis sin tener en cuenta la ganancia de carga por paredes, por cambio de aire y por cargas varias; para este análisis solo tuvimos en cuenta la carga de los productos que se refrigeran en la nevera. Y luego de realizar esta experiencia se puede que concluir que es necesario el estudio de termodinámica para realizar este tipo de análisis y nos queda como tarea ahondar más en estos conocimientos para que la próxima vez se realice un análisis más completo y exacto.
ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/008/ y5771s/y5771s00.pdf http://www.inn.gob.ve/modules. php?name=News&file=article& sid=1163
Principios de Roy j. Dossat.
Refrigeracion.
http://centros5.pntic.mec.es/ies .victoria.kent/RinconC/Curiosid2/rc-93/rc-93.htm
Termodinamica. Yunus Cengel. 6 Edicion
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A.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
GLOSARIO Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle ni
agregarle calor. Ambiente: Condiciones circundantes. As pi ra ci ón : Movimiento producido en un fluido por succión. Bar : Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869 atmósferas). Bomba : Cualquiera de las diferentes máquinas que impulsan un gas o un líquido o lo atraen de algo, por succión o por presión. Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuito o parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debido a la fricción del fluido, o a una restricción en la línea. Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas. Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuando se comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energía calorífica. Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia, para cambiar del estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante. Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerido, para aumentar o disminuir la temperatura de una sustancia susta ncia en 1 ºC, comparado con la que se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una masa igual de agua en 1 ºC. Se expresa como una fracción decimal. Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un cambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia, sin cambio en la temperatura o presión. Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg de una sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido. Calor latente de evaporación : Cantidad de calor requerido por un kg de sustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor vapor.. Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en una sustancia, sin que cambie de estado. Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente. Caloría : Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a la cantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal. Cambio de estado: Condición en la cual, una sustancia cambia de sólido a líquido o de líquido a gas, debido a la l a aplicación de calor. calor. O a la inversa,
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cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido, debido a la pérdida de calor. Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmente en kcal/h o en watios. Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema de refrigeración. Centígrada, escala : Escala de temperatura usada en el sistema métrico. El punto de congelación del agua es de 0 ºC, el punto de ebullición es de 100 ºC. Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimiento molecular (-273 ºC y -460 ºF). Ciclo: Serie de eventos u operaciones, que tienen una tendencia a repetirse en el mismo orden. Cilindro: Dispositivo que convierte fuerza de un fluido en fuerza y movimiento mecánico lineal. Este consiste, usualmente, en elementos móviles tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de un cilindro. Circuito: Instalación de tubería o de alambre eléctrico, que permite el flujo desde y hacia la fuente de energía. Climatización : Control de la temperatura, humedad, limpieza y movimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, para confort humano o proceso industrial. Control de temperatura significa calentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muy caliente Coeficiente de rendimiento: Relación del trabajo realizado o completado, en comparación con la energía utilizada. Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementar la presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Al hacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas. Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar vapor del lado lado de baja baja presió presión n en el ciclo ciclo de de refrige refrigeració ración, n, y compr comprimirlo imirlo y descargarlo hacia el lado de de alta presión del ciclo. Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido, l íquido, al enfriarse por abajo de su temperatura de saturación o punto de rocío. Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor. Condensador : Componente del mecanismo de refrigeración, el cual recibe del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y regresándolo luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con aire o con agua.
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Condensar: Acción de cambiar un gas o
vapor a líquido. Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido. Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancar y/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad. electricidad. Control de baja presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presión de evaporación del lado de baja, caiga abajo de cierta presión. Control de refrigerante: Dispositivo que mide el flujo de refrigerante, entre dos áreas del sistema de refrigeración. También mantiene una diferencia de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema, mientras la unidad está trabajando. Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentro de una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen. Diferencial: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturas o presiones de arranque y paro, de un control. Efecto refrigerante: cantidad de calor absorbida en el evaporador del espacio a refrigerar. Eficiencia : Capacidad de un dispositivo, sistema o actividad, dividida entre la potencia absorbida necesaria para crear esa capacidad. En un compresor, la eficiencia sería la capacidad de trabajo, medida por un cambio de presión, dividida entre la energía eléctrica consumida. Eficiencia volumétrica : Término utilizado para expresar la relación, entre el funcionamiento real de un compresor o de una bomba de vacío, y el funcionamiento calculado en base a ese desplazamiento. Energía : Habilidad real o potencial de efectuar trabajo. Energía, conservación de la : Proceso de instituir cambios que resultarán en ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinar las cargas principales. Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias. Entalpía : La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculada de una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0 ºC, es una base aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos de refrigeración, la base aceptada es de -40 ºC. Entropía : Medida de la cantidad de energía que no puede convertirse en trabajo. Escala centígrada : Escala de temperaturas usada en el sistema métrico. El punto de congelación de agua a la l a presión atmosférica normal, es de 0ºC, y el punto de ebullición, es de 100ºC. Escala Fahrenheit : En un termómetro Fahrenheit, bajo la presión
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atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212 ºF, y el punto de congelación es de 32 ºF arriba de cero. Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de medición es igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es 0 ºK, equivalentes a -273.16 ºC. En esta escala el agua se congela a 273.16 ºK y bulle a 373.16 373.16 ºK. ºK. Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas, cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0 ºR) en esta escala equivale a -460 ºF. Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor vapor.. En este proceso se absorbe calor. Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigerac refrigeración, ión, en el cual, el refrigerante se evapora y absorbe calor. calor. Expansión: Aumento del volumen de un cuerpo por efecto del incremento de la temperatura o la disminución de presión. Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustancia que contiene partículas que se mueven y cambian de posición sin separación de la masa. Frío: La ausencia de calor. calor. Temperatura Temperatura considerablemente abajo de la normal. Fuerza : La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N) en el Sistema Internacional. Gas : Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vapor sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación. Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico. Humedad absoluta : Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire, indicada en g/m2 de aire seco. Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura. Humidificador: Dispositivo utilizado para agregar y controlar humedad. Intercambiadorr de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor de Intercambiado una superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadores y condensadores son intercambiadores intercambiadores de calor). Isentrópica : Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a entropía constante. Isóbara : Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a presión constante.
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Isócora :
Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a volumen constante. Isoentálpica : Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a entalpia constante. Isoterma : Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a temperatura constante. Isotérmica (expansión o contracción) : Acción que se lleva a cabo sin un cambio de temperatura. Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones de temperatura constante. Isotítrica : Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una gráfica, representan un cambio a titulo constante. Joule (J) : Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Joule equivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el punto de aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de la fuerza. Kelvin: (Ver Escala Kelvin). Kilocaloría : Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Ver caloría. Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales. Ver V er Pascal. Kilowatio (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watts. Ver Watt. Lado de alta : Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran bajo la presión de condensación o alta presión. Lado de baja : Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran por abajo de la presión de evaporación o baja presión. Lado de succión: Lado de baja presión del sistema, que se extiende desde el control de refrigerante, pasando por el evaporador evaporador,, la línea de succión, hasta la válvula de servicio de entrada al compresor. Línea de descarga : En un sistema de refrigeración, es la tubería que acarrea el gas refrigerante, desde el compresor hasta el condensador. Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde el condensador o recibidor, hasta el mecanismo de control de refrigerante. Línea de succión, aspiración: Tubería Tubería que acarrea refrigerante gaseoso, desde el evaporador hasta el compresor. Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, pero que no tienden a separarse como las de un gas.
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Masa : Cantidad
de materia mantenida junta, de tal manera que forma
un cuerpo. Materia : Todo Todo aquello que tiene masa y volumen. Newton : Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalente a la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo, ki logramo, y una aceleración gravitacional de de 1 m/seg2. Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI); es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un m2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa. Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje sobre una superficie. Presión absoluta : Es la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica. Presión atmosférica : Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra. Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm 2, etc. Al nivel del mar, tiene un valor de 101.325 kPa. Presión crítica : Condición comprimida del refrigerante, en la cual el líquido y el gas, tienen las mismas propiedades. Presión de alta : Término empleado para referirse a la presión, a la l a cual se lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración. Presión de baja : Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a la cual se lleva a cabo la evaporación. Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la cual el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelve líquido. Varía con la temperatura. Presión de descarga : En un sistema de refrigeración se llama así a la presión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presión que existe en el lado del condensador, y se mide en la descarga del compresor. Presión de succión: En un sistema de refrigeración se llama así a la presión a la entrada del compresor. Presión de vapor : Presión ejercida por un vapor o un gas. Presión de vaporización: Presión dentro de un evaporador, a la cual el líquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación y se vuelve vapor.. Varía vapor Varía con la temperatura. temperatura. Primera Ley de la Termodinámica : La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma (ley de la conservación de la energía).
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Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema. Proceso irreversible:
Proceso que no puede revertirse desde su estado final hasta su estado inicial. Todos los procesos conocidos en nuestro universo son irreversibles. Todos los procesos están ligados a la entropía, de tal modo que si alguien afirmara que un proceso es reversible, él estaría sugiriendo que dicho proceso viola la segunda ley de la termodinámica. Proceso reversible: Proceso cuya trayectoria entre los estados inicial y final se puede conocer (de trayectoria conocida) conocida) y revertirse hasta su estado inicial. No existen procesos reversibles en el universo real. Recalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperatura de ebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre la temperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja del refrigerante, que se está evaporando en el evaporador. Receptor de líquido: Cilindro o contenedor conectado a la salida del condensador, para almacenar refrigerante líquido en un sistema. Refrigeración: proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno. Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración. Absorbee calor Absorb calor en el evaporad evaporador or,, cambiando cambiando de estado estado de líquido líquido a vapor vapor,, liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estado gaseoso al estado líquido. Rendimiento termodinámico: Medida de la capacidad de una máquina térmica para transferir por medio de trabajo (W) parte de la energía absorbida (Qc) desde la fuente caliente, de acuerdo con las limitaciones resultantes de la Segunda Ley de la Termodinámica. La definición operacional de Rendimiento Termodinámico es la siguiente Saturación: Condición existente, cuando una sustancia contiene la mayor cantidad que pueda retener de otra sustancia, a esa presión y temperatura. Segunda Ley de la Termodinámica : El calor no fluye espontáneamente de un sistema frío a otro más caliente. Sistema : Cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios. Subenfriamiento : Enfriamiento de refrigerante líquido por debajo de su temperatura de condensación. Sustancia : Cualquier forma de materia o material. Temperatura : 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un termómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas. Temperatura absoluta : Temperatura medida desde el cero absoluto. Temperatura ambiente : Temperatura de un fluido (generalmente el
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aire), que rodea un objeto por todos lados. Temperatura crítica : Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienen las mismas propiedades. Temperatura de bulbo húmedo : Medición del grado de humedad. Es la temperatura de evaporación de una muestra de aire. Temperatura de bulbo seco : Temperatura del aire, medida con un termómetro ordinario. Temperatura dentro de un condensador condensador,, Temperatura de condensación: Temperatura en el que el vapor de refrigerante, cede su calor latente de evaporación y vuelve líquido. Varía Varía con la presión. Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia a gas. Temperatura de vaporización: Temperatura dentro de un evaporador, en el que el liquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación y vuelve vapor. vapor. Varía Varía con la presión. Termodinámica : Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre el calor y la acción mecánica. Termómetro : Instrumento para medir temperaturas. Trabajo: Forma de transferencia de energía entre un sistema y su medio exterior, que se manifiesta por la actuación de fuerzas capaces de provocar distintos efectos, tales como desplazamientos, deformaciones y otros. Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustancia a otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, convección convección o combinación de las tres anteriores. Unidad de condensación: Parte de un mecanismo de refrigeración que succiona vapor de refrigerante del evaporador, lo comprime, lo licúa en el condensador y lo regresa al control de refrigerante. Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos). Vacío V acío: Presión menor que la atmosférica. Válv Vá lvula ula : Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido. Válvula de control : Válvula que regula el flujo o presión de un medio, el cual afecta un proceso controlado. Las válvulas de control son operadas por señales remotas de dispositivos independientes, que utilizan cualquier cantidad de medios de control, tales como neumáticos, eléctricos o electrohidráulicos. Válvula de descarga : Válvula dentro del compresor de refrigeración, que permite que salga del cilindro el gas refrigerante comprimido, hacia la línea de descarga, evitando que se devuelva.
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Válvula de expansión ex pansión : Tipo de
control de refrigerante, que mantiene presión constante en el lado de baja del sistema de refrigeración. La válvula es operada por la presión en el lado de baja o de succión. Con frecuencia, se le conoce como válvula de expansión automática Válvula de succión: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que permite el ingreso del vapor de refrigerante, proveniente de la línea de succión, al cilindro, evitando que se devuelva. Vapor V apor : Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura de saturación, o muy cercano a ella. Vapor V apor saturad saturado o: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones de temperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Es decir,, si este vapor se enfría, se condensa. decir Vaporización V aporización: Cambio del estado líquido al gaseoso. Volume V olumen n espec específic ífico o: Volumen por unidad de masa de una sustancia 3 (m /kg). Watt (W)/ (W)/ Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producida al realizar un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watt = 1 J/s).
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CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué ¿Qué es es la refr refrig iger erac ació ión? n? 2. ¿En qué pieza pieza de la máquina máquina frigorí frigorífica fica se produc producee la absorción absorción del del calor del espacio que se quiere refrigerar, y qué efecto tiene sobre el líquido refrigerante? 3. Un equipo equipo de refrig refrigerac eración ión que funcio funciona na mediante mediante un ciclo ciclo de refrigeración simple de compresión mecánica contiene los siguientes datos: Suponemos que el ciclo de refrigeración es ideal (compresión isentrópica). El refrigerante utilizado es amoniaco. La presión absoluta de condensación es 7 kg/cm_ La presión absoluta de evaporación es 3 kg/cm_ Dibuja sobre el siguiente diagrama P-h, el ciclo de refrigeración ideal que sigue el amoniaco y calcula:
El efecto refrigerante por kg de refrigerante. El equivalente térmico del trabajo de compresión por kg de refrigerante. El calor cedido en la condensación por kg de refrigerante. El coeficiente de efecto frigorífico. 4. ¿Qué partes constit constituyen uyen el lado de de baja en un sistema de refrigera refrigeración? ción? 5. ¿Cómo le le afecta afecta al efecto efecto refrigeran refrigerante te y al trabajo trabajo de compr compresión esión el aumento de la temperatura de vaporización en un ciclo de refrigeración? 6. ¿Cóm ¿Cómoo varía el coeficie coeficiente nte de efecto efecto frigoríf frigorífico ico cuando cuando el líquido líquido
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refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula de expansión y por qué? 7. ¿Cóm ¿Cómoo afecta al coefici coeficiente ente de efecto efecto frigor frigorífico ífico la pérdid pérdidaa de presión presión en el evaporador y por qué? 8. Enume Enumera ra las diferen diferencias cias entre entre el ciclo ciclo frigorífi frigorífico co real real y el ciclo frigorífico ideal.
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BIBLIOGRAFÍA Alarcón Creus Alarcón Creus,, José: José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática , 12ª edición ampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFC sin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998. Amigo, P.: P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales , Editorial Mundi-Prensa, 1999. Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona: Edit. Ediciones Ceysa, 2003. Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficos de Productos Cárnicos , Editorial FAO, 1991. López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias , Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994. Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / Colegio Oficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Murcia: Curso de Ingeniería del frío , Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993. Manual técnico Valycontrol , 1996, distribuido por Valycontrol S.A. Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino: Termodinámica , Derechos reservados respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. de C.V. Rapin, P.: Prontuario del Frío , Tercera Tercera Edición traducida y ampliada de la tercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994. Tomo 1 Física F ísica Aplicada , Rapin,, P.; Rapin P.; Jacquard, P. J.: Instalaciones frigoríficas. Tomo Barcelona: Edit. Marcombo Boixareu Editores, 1997. Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría y Práctica , Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A., 2001. Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica , Barcelona: Edit. Reverté S.A., 1993.
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UNIDAD DIDÁCTICA 4
1. La refrigera refrigeración ción se defin definee como el el proceso proceso de reducció reducción n y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno. 2. La absorció absorción n del calor calor del espaci espacio o a refrigera refrigerarr se produce produce en el el evaporador,, produciendo la evaporación del líquido refrigerante evaporador r efrigerante en el interior de él. 3.-
Efecto refrigerante por kg de refrigerante: h1=360 kcal/kg h4=105 kcal/kg Efecto refrigerante específico = q e = h 1-h4 = 360-105 = 255 kcal/kg Equivalente térmico del trabajo de compresión por kg de refrigerante: h1=360 kcal/kg h2=490 kcal/h Calor de compresión específico = Wk = h 2-h1 = 490-360 = 130 kcal/kg El calor cedido en la condensación por kg de refrigerante: h3=h4 Calor específico cedido en la condensación = q c = h3-h2 = 105-490 = 385 kcal/kg El coeficiente de efecto frigorífico:
4. Válvula de expansión, expansión, el evaporado evaporadorr y la línea de aspiración aspiración..
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5. Si aumentamos aumentamos la temperatura temperatura de vaporizació vaporización n en un ciclo ciclo de refrigeración el efecto refrigerante aumenta. El trabajo absorbido en el compresor disminuye ya que la diferencia de presiones entre el evaporador y el condensador es menor. 6. El coeficiente coeficiente de efecto efecto frigoríf frigorífico ico aumenta aumenta cuando el el líquido líquido refrigerante es subenfriado antes de entrar en la válvula de expansión ya que el efecto frigor frigorífico ífico aumenta aumenta,, y el trabajo absorbi absorbido do por p or el compresor permanece constante. 7. El coeficien coeficiente te de efecto efecto frigorí frigorífico fico disminuy disminuyee al disminuir disminuir la presión presión en el evaporador porque el trabajo absorbido en el compresor aumenta ya que la relación de compresión aumenta. 8. •
Recalenta Recale ntamie miento nto del del vapor vapor en en las tuber tuberías ías de de aspirac aspiración ión y a la entrada del compresor compresor..
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Pérdida Pér dida de de carga carga en la la válvul válvulaa de aspira aspiració ción n del compre compresor sor..
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Compr Co mpres esió ión n rea reall no no ise isent ntró rópi pica. ca.
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Pérdi Pé rdida da de pre presió sión n en la vál válvu vula la de des descar carga. ga.
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Pérdi Pé rdida da de carg cargaa duran durante te la la conde condens nsaci ación ón..
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Suben Sub enfr friam iamie ient nto o del lí líqu quido ido..
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Pérdi Pé rdida da de ca carga rga dura durant ntee la eva evapo pora ració ción. n.
UNIDAD DIDÁCTICA 5 1. Aspirar los los vapores vapores producidos producidos en el evaporador evaporador,, y descargar los vapores en el condens condensador ador a una presión presión lo lo suficiente suficientemente mente alta para que se produzca la condensación. 2. Son compreso compresores res de desplaza desplazamient miento o positivo positivo o volumét volumétricos, ricos, ya que el fluido experimenta una verdadera compresión mecánica, reduciendo el volumen mediante un elemento que comprime. 3. Un compres compresor or de tipo tipo abierto abierto es aquel aquel en en el que el el compresor compresor y el el motor de accionamiento están claramente diferenciados en dos carcasas. Los compresores herméticos contienen el motor y el compresor en una misma carcasa herméticamente cerrada. 4. En los los cálculos cálculos sólo se utilizan utilizan presion presiones es absolut absolutas: as: Presión absoluta de descarga: 6,1 + 1,02 = 7,12 bares. Presión absoluta de aspiración: 1,95 + 1,02= 2,97 bares.
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