Ciclos De Refrigeracion

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Núcleo Sucre sede Cumaná Ciclos de refrigeración Revisado por: Realizado por: Bravo, Doriangel C.I: 23817512 Dimas, José C.I: Ingeniería Mecánica Mayo, 2015 INDICE INDICE................................................................................................................................................2 INTRODUCCION..................................................................................................................................3 CICLOS DE REFRIGERACION................................................................................................................4 ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN.....................................................4 CICLO DE CARNOT INVERSO...............................................................................................................6 CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR..................................................................8 Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración...........10 CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.......................................................11 Influencia de las irreversibilidades en el compresor.....................................................................12 Influencia de las irreversibilidades en el evaporador...................................................................12 Influencia de las irreversibilidades en el condensador.................................................................13 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR MÚLTIPLES ETAPAS...........................13 CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO...........................................................15 CONCLUSIÓN....................................................................................................................................18 BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................20 INTRODUCCION El calor puede transferirse desde cuerpos de menor temperatura a otros de mayor temperatura, para lo cual deben utilizarse sistemas técnicos que permitan el uso de potencia para realizar esa función. Este tipo de sistemas se conoce como sistemas de refrigeración y operan con sustancias de trabajo que cambian de fase o que se mantienen como gases durante el proceso. Los primeros se conocen como ciclos de refrigeración por compresión de vapor o ciclos Clausius-Rankine invertidos y son los más utilizados comercialmente. Los ciclos de refrigeración por compresión de gas corresponden al ciclo JouleBrayton invertido y son utilizados para el acondicionamiento del aire en las cabinas de aeronaves, por ejemplo. Los ciclos de refrigeración incluyen los procesos de compresión de la sustancia refrigerante; su condensación hasta líquido saturado o levemente subenfriado; la expansión de este líquido, normalmente en una válvula de estrangulación, y su evaporación en el recipiente del cuarto frío, en el cual se retira calor a las sustancias que deben enfriarse. El uso de válvulas de estrangulación a cambio de turbinas para realizar la expansión de la sustancia refrigerante se debe a los bajos niveles de potencia que pueden generarse según las condiciones de operación de estos sistemas y a que se evitan costos debido al uso de dispositivos sin partes en movimiento relativo y con exigencias de mantenimiento menores. Los principales componentes de un sistema de refrigeración son el compresor, el intercambiador de calor o condensador, la válvula de estrangulamiento, y el evaporador, que es donde ingresa calor a la sustancia refrigerante proveniente del medio que se está enfriando. CICLOS DE REFRIGERACION Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen la refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo (principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de dispositivos especiales conocidos como refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. En la figura 1-A, se muestra de manera esquemática un refrigerador. En este caso QSum es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura Tsum, Qced es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la temperatura Tced y Wneto, es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analizó, Qsum y Qced representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas. Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo, solo difieren en los objetivos como lo describe la figura 1-A y 1-B. El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los términos de coeficiente de operación (COP), el cual se define como: Ecuación (1) Ecuación (2) Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calorpueden ser mayores a uno. Debido a que: Ecuación (3) Para valores fijos de QL y QH. Esta relación implica que COPBC f 1 puesto que COPR es una cantidad positiva, es decir, una bomba de calor funcionará en el peor de los casos, como un calentador de resistencia. La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua liquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas. (fig 1-a): Esquema de sistema de refrigeración. (Fig 1-b): Esquema de sistema de Bomba de calor. CICLO DE CARNOT INVERSO El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot. Aunque en la práctica no es utilizado, sirve de referencia para evaluar el desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura (fig 2.1-a): Ciclo de Carnot inverso. (fig 2.1-b): Diagrama Ts de Carnot. Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un refrigerante, como el que se muestra en la figura (2.1-a) • 1-2 Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase. • 2-3 Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la temperatura máxima TH. • 3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a TH, de forma isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido). • 4-1 Se expande el refrigerante isoentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima TL Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot como modelo de dispositivo práctico radican en los procesos de compresión y expansión. En general debe evitarse comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor). La expansión con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restricción a las condiciones de saturación limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la práctica al ciclo de refrigeración por compresión de vapor. CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR. En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones: • En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. • Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar). • La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación. Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o tubo capilar (ver figura 3.1-a) (fig 3.1-a): Ciclo de refrigeración por compresión de vapor. (fig 3.1-b): Diagrama Ts. Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por Ecuación (4) La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada así: Ecuación (5) En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está dado por: Ecuación (6) Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración. • Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante (ver figura 3.1-a), que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría. • Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver figura 3.1-b). El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas. • Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento. • Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador. CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la 4.1a por compresión de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. (fig 4.1-a): Ciclo de refrigeración por compresión de vapor (fig 4.1-b): Diagrama Ts real. Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como: Ecuación (7) Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de Wneto = ∫vdp Influencia de las irreversibilidades en el condensador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante) SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR MÚLTIPLES ETAPAS Para sistemas de compresión de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del compresor, se realizan modificaciones que consiste en incluir la compresión multietapa con refrigeración intermedia. En estos ciclos de refrigeración intermedia el sumidero de energía puede ser el mismo refrigerante, ya que en muchos puntos del ciclo, la temperatura del refrigerante es inferior a la temperatura del ambiente. Por tanto, el intercambiador de calor que funciona como refrigerador intermedio, se convierte en un intercambiador regenerativo, ya que el calor se transfiere de forma interna en el sistema. La fracción de vapor que se forma en la cámara de evaporización instantánea, es la calidad X del fluido en el estado 6 del diagrama de máquinas tal como se observa en la figura 5.1-a, y es la fracción de flujo que pasa por la cámara de mezcla proveniente de la cámara de evaporación instantánea. La fracción de líquido formado es 1-X, que corresponde a la fracción del flujo total que pasa por el evaporador. (fig 5.1-a): Diagrama de maquina del sistema multietapa. (fig 5.1-b): Diagrama Ts. Fuente: Yunus Aplicando el balance de energía en la cámara de mezcla en condiciones adiabáticas, para determinar la entalpía, a la salida de la cámara se tiene: Ecuación (8) El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es: Ecuación (9) El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador es la suma de las dos (2) etapas, es decir: Ecuación (10) El COP del ciclo de compresión de vapor de dos etapas, con refrigeración intermedia regenerativo, se sigue definiendo como: Ecuación (11) CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO. Los sistemas de refrigeración por absorción, implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) como el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por absorción son los de agua- bromuro de litio y agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como transporte. (fig 6.1a): Ciclo de Absorción de amoniaco El COP de sistemas de refrigeración por absorción se define como: Ecuación (12) El COP máximo de un sistema de refrigeración por absorción se determina suponiendo que el ciclo es totalmente reversible, con base en la figura 6.1b se plantea: (6.1 b): Maquina térmica de refrigeración. . Ecuación (13) Ecuación (14) CONCLUSIÓN Un refrigerador se define como una máquina cuya función principal es la de atrapar calor de una zona de baja temperatura para transferirlo posteriormente al medio circundante. Si la temperatura a la cual se disipa el calor es lo suficientemente alta como para que sea útil como en un sistema de calefacción, la máquina se denomina bomba de calor. La sustancia de trabajo que funciona en un refrigerador común recibe el nombre de refrigerante. El ciclo básico de refrigeración opera de la siguiente forma: el refrigerante líquido a alta presión es alimentado al tanque recibidor a través de la tubería de líquido, pasando por un filtro desecante hacia el instrumento de control, que separa los lados de alta y de baja presión del sistema. Existen varios instrumentos de control de flujo que pueden emplearse, por ejemplo, la válvula de expansión, que controla la alimentación del refrigerante líquido al evaporador y que, por medio de un pequeño orificio, reduce la presión y la temperatura del refrigerante. La reducción de presión en el refrigerante líquido provoca que éste hierva o se vaporice, hasta que el refrigerante alcanza la temperatura de saturación correspondiente a la de su presión. Conforme el refrigerante de baja temperatura pasa a través del evaporador, el calor del elemento a enfriar fluye a través de las tuberías, haciendo que la acción de ebullición continúe hasta que el refrigerante se encuentre totalmente vaporizado. La válvula de expansión regula el flujo a través del evaporador para mantener el sobrecalentamiento constante, con el propósito de mantener el diferencial de temperatura que existe entre la temperatura de vaporización y el vapor que sale del evaporador. Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador cambia, el bulbo de la válvula de expansión registra variación y actúa para modular la alimentación a través de la válvula de expansión a fin de adaptarse a las nuevas necesidades. El vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a través de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor toma el vapor a baja presión y lo comprime aumentando tanto su presión, como su temperatura. El vapor caliente, al alcanzar una alta presión, es bombeado fuera del compresor a través de la válvula de descarga hacia el condensador. A medida que pasa a través de éste, el gas a alta presión es enfriado por algún medio externo. En sistemas enfriados por aire se suelen emplear un ventilador y un condensador aletado; en sistemas enfriados por agua, un intercambiador de calor refrigerado por agua. Mientras el vapor del refrigerante alcanza la temperatura de saturación, correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se condensa y fluye al recibidor como líquido, repitiéndose nuevamente el ciclo. BIBLIOGRAFIA Cengel, Y. y Boles, M. Termodinámica. McGraw-Hill. Séptima edición, México, 2012. Wark, K. y Richards, D. Termodinámica. McGraw-Hill. Sexta edición, España, 2001.