Download Libro Termodinamica Cap 15 Refrigeración Hadzich

Termodinámica fácil para ingenieros
INTRODUCCIÓN
Ahora entramos al mundo del frìo, es decir de la refrigeraciòn o las temperaturas bajas. Estos ciclos tienen
la particularidad de bajar la temperatura hasta casi llegar al cero absoluto !!! (ya estamos en
0.01 º K !- ciencia de la criogenia).
Todo esto gracias al fenómeno del estrangulamiento de las válvulas (coeficiente Joule-Thompson - ver
Cap.10) y a las propiedades de los portadores de energía - en este caso los Refrigerantes - de seguir manteniendo sus propiedades de lìquido y gas, aun a temperaturas muy bajas sin llegar a solidificarse.
Aprederemos a usar los diagramas P- h de los principales refrigerantes (Freòn 12, R-134a y el Amonìaco).
Tambièn conoceremos un poco el funcionamiento de algunas de nuestras máquinas domésticas (refrigerador, congelador) e industriales (frigorífico, camales, etc); así como otros sistema ingeniosos de refrigeración, como por ejemplo la refrigeradora a kerosene, por ciclo invertido, bombas de calor, etc.
Todos los problemas que se proponen al final del capítulo pueden ser resueltos tambièn cambiando el tipo
de refrigerante y ser repetidos con estas otras condiciones, anímese a cambiarlos.
Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 1
Ciclo Refrigeración
Indice 15
Termodinámica fácil para ingenieros
CICLOS de REFRIGERACION
ESQUEMA DE UNA REFRIGERADORA
CICLOS DE REFRIGERACIÓN
CLASIFICACION : Existen en uso varios ciclos comunes de refrigeración
1,. Ciclo por compresión de vapor
1.- Ciclo de refrigeración por gas
3.- Ciclo de refrigeracoión por absorción
4.- Ciclo de refrigeración por vacío
El más importante de todos es
el ciclo por compresión de vapor
15.1 CICLO por Compresión de Vapor
REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR
1-2: compresión (aproximadamente politrópica)
2-3: enfriamiento isobárico (serpentín detrás del
refrigerador)
3-4: estrangulamiento adiabático (isoentálpico)
4-1: calentamiento isobárico (cámara, freezer)
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Ciclo Refrigeración
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Dónde se utilizan estos Ciclos de Refrigeración ?
Refrigeradora Bosch Side by Side, conservador de 12 p3, congelador de
11 p3, sistema eurofrost, congelador con
6 compartimientos independientes, fast
freezing, coservador con 3 anaqueles regulables, US 929
Funcionamiento de una Refrigeradora Doméstica
Sistema de Refrigeraciòn - Lab. de Energìa PUCP
Refrigerador Coldex
R162, 2 puertas
16 p3, US 479
8 p3, US 249
1
Refrigeradora General Electric
PSS27SHM, puertas de acero
inoxidable, controles digitales
27 p3, ecológico, dispensador de
agua y hielo, US 2999
En el Software “ Cómo funcionan las cosas” se encuentra la explicación simple de
este sistema.
Refrigeradora Samsung
SSR - S20 FTFM, Side
by Side, 20 p3, mirror
looking, dispensador de
agua y hielo, bar indcorpoprado, digital
US 2199
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Ciclo Refrigeración
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Ciclo Refrigeración
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15.2 Ciclo Carnot Negativo
Ciclos Negativos
En los ciclos negativos aprovechamos el
suministro de trabajo Wt 12 (motores
electricos en nuestras refrigeradoras) para
extraer calor del recipiente de menor
temperatura Tb.
No olvidemos que cuando estudiamos
estos ciclos “nosotros” estamos dentro de las
maquinas, por eso es que nos calentamos
con los alimentos que estan a temperatura
ambiente. lo que pasa en que estamos a menor
temperatura que ellos !...por ejemplo a - 10 ºC.
Tambien tenemos que botar calor a algun
recipiente de mayor temperatura Ta, que en la
mayor parte de los casos es el medio ambiente.
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El ciclo negativo
sigue la direccion
contraria a las
agujas del reloj.
Como son dos
calores , Qextraido
y Qdescargado,
podemos a
provechar ambos
en los sistemas de
aire acondicionado,
tanto para verano
como para invierno.
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Ciclo Refrigeración
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15.3 Diagramas T -s y P-h
15.4 Ciclo Refrigeración Real
En los ciclos reales de refrigeración - eso lo experimentarán cuando lleven sus prácticas o
en el laboratorio- nos daremos cuenta que en realidad los sistemas no son isobáricos; por
lo que tendremos caídas de presión a través de los tubos de los condensadores como en los
evaporadores.
Asimismo, en el caso de los compresores, algunos de estos no tienen por qué ser adiabáticos, por lo que en algunos casos su entropía puede disminuir. Pero ese calor calentará el
ambiente y entonces la entropìa del ambiente tiene que subir en mayor proporción para
que SIEMPRE la entropía aumente (Segunda Ley ).
En los siguientes diagramas podemos observar algunos modificaciones en los diagramas
T-s.
En los ciclos de refrigeración se
utiliza bastante el diagrama P-h
(presión - Entalpía), por ser más fácil
de utilizar. Por ejemplo, en el caso del
condensador y del evaporador que son
isobáricos (presiones constantes) en
el T-s son curvas, pero en el P-h serán
solo rectas horizontales.
En el caso de la válvula que es isoentalpica (entalpía constante h), en el
T-s será una curva (dificil), mientras
que en el P-h se es solo una recta
vertical.
Por lo tanto usaremos los diagramas
P-h en todos los problemas de refrigeración.
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15.5 Refrigerantes
Diagrama P - h FREON 12
REFRIGERANTE:
Es la sustancia de trabajo utilizada en los sistemas de refrigeración. En un sistema de refrigeración, tanto por compresión
de vapor como por absorción, el enfriamiento se obtiene por la evaporación de un líquido. Por consiguiente cualquier
fluido al que se le puede cambiar de fase, de un líquido aun gas, puede servir como refrigerante. Sin embargo, son
muchos los factores que hacen que algunas sustancias sean más adecuadas que otras, dependiendo de la aplicación.
Existen muchas marcas de refrigerantes: Freón, Genetrón, Isotrón, Arctón, etc
En las próximas páginas tendremos los diagramas P-h de los 3 principales refrigerantes
que se usan actualmente, el FREON 12 ó
R-12 que ya está en desuso por atentar contra la Capa de Ozono. Luego el refrigerante
R-134a que se llama refrigerante ecológico
(ya no malogra la Capa de Ozono) y finalmente
el Amoníaco que se usa bastante en refrigeración industrial.
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Diagrama P - h del R - 134a
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Diagrama P - h del Amoníaco
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15.6 Nomenclatura en Refrigeración
15.7 Compresores
Q12 = m (H2 - h1) + Wt 12
OTRAS DEFINICIONES:
Carga de Refrigeración:
Es el calor absorbido por el refrigerante, de la sustancia o el ámbito que se quiere refrigerar. Se expresa en toneladas
de refrigeración (TON), en kJ/min o kW.
 (h − h )
Q ( 4 −1 ) = m
f
1
4
Efecto refrigerante útil:
Es el efecto de refrigeración, expresado en unidades de calor por kg. de refrigerante (calor absorbido en el Evaporador,
q = h1-h4 ).
Rendimiento Isoentrópico del Compresor:
n sc = (h2’ - h1) / (h2 - h1)
Pero hay que tener cuidado, pues no
todos los compresores se les puede
considerar adiabáticos; son solamente politrópicos, por lo que pueden
transmitir calor Q12.
Tonelada de refrigeración (TON)
Es una unidad de tipo tradicional y corresponde al “efecto refrigerante útil” que puede producir una tonelada de hielo
mientras se funde en un periodo de 24 horas.
1TON = 12000 BTU/h = 200 BTU/min =3.52kW.
Sistema de Refrigeración en el Laboratorio de Energía de La Pontificia
UNiversidad Católica del Perú.
Criogenia: (ciencia del frío)
Consiste en la obtención de temperaturas menores de 100K. Uno de los métodos más frecuentes es la licuefacción de
gases; método Linde, método Claude y desmagnetización adiabática de una sal paramagnética.
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Los compresores tipo Reciprocantes,
o alternativos o de Pistón son los más
utilizados en refrigeración.
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15.9 Válvulas y Controles
15.8 Condensadores
Para que pueda cumplirse
el ciclo siempre tiene que
haber una fuente caliente y
una fuente fría, en los casos
de refrigeración el ambiente sería la fuente fría,
pues quita calor al refrigerante que está caliente
después de la compresión.
Cómo se controla la refrigeradora ? Se usan las válvulas que
cumplen la función de crear el
frío y también regular el flujo de
refrigerante
Las valvulas de expansion
termostatica se usan
para regular el flujo
automaticamente.
Cuando el evaporador
esta caliente este abre la
valvula y pasa mayor flujo de
refrigetrrante, por lo tanto Q41
sera mayor y se extraera mayor
calor. Este control se usa en la
refrigeradoras industriales.
En el caso de las refrigeradoras
domesticas lo que controlamos
es el tiempo en el cual estara
prendido o apagado nuestra
refrigeradora, esto lo hacemos
con el termostato que hace la
funcion de un interruptor de
corriente electrica cuando la
temperatura en el evaporador
este fria. Este control podemos
modificarlo nosotros mismos
moviendo el regulador que
se encuentra dentro de la
refrigeradora .
Cuando el refrigerante
es comprimido se vuelve
Vapor Sobrecalentado
VSC y luego tenemos
que volverlo líquido en el
condensador (se condensa !!); pero para que
eso suceda se tiene que
quitar calor Q 23 ó QH,
y de eso se encargan
los tubos (serpentín)
que están detrás de las
refrigeradopas o en los
laterales.
Para medir el flujo de
refrigerante se usan los
flujometros que se instalan
en la parte liquida...donde ? ....
despues del condensador !!
El condensador funcionará mejor en època
de invierno cuando el
ambiente esté mas frío.
En algunas máquinas no encuentro
válvula !!!...lo que pasa es que usan
un tubo capilar (más barato) para
producir el mismo efecto de estrangulamiento que la válvula....
debe ser idea de algún Ingeniero
Industrial.
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15.10 Evaporadores
15.11 Sistemas domèsticos
Esta es la parte principal de la refrigeradora, es el lugar donde guardamos los
alimentos que queremos congelar o conservar; aquí los alimentos calientan el refrigerante (que está muy frío con temperaturas negativas). Tiene que ser muy adiabática para que sólo se extraiga calor de
los alimentos y no también del ambiente.
Cada alimento tiene su propio calor (Latente y Sensible) que el evaporador tiene
que extraer. Las enciclopedias de refrigeración tienen los datos de TODOS los
alimentos que queramos refrigerar; este
sería nuestro dato, al igual que la masa o
cantidad de alimentos a refrigerar.
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Ahora veremos algunos ejemplos principales de algunos
artefactos electrodomésticos
que usamos diariamente. Encontremos allí los principales
elementos del ciclo de refrigeración: Compresor, Condensador, Válvla y Evaporador....
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15.5 Ciclo de Refrigeraciòn Real ...........................13
15.12 Sistemas Industriales
Sistema típico
que encontramos
en la tiendas.
Sistema de Congeladores de dos
cámaras.
Refrigerador por absorción de una etapa
utilizado para líquidos (100 - 1600 Ton)
que usa vapor de agua
como fuente de energía térmica y H2O
- Li Br como refrigerante.
(The Trane Company)
Abajo se muestra
una aplicación del
sistema de refrigeración en los sistemas de aire acondicionado, que lo
estudiaremos en el
próximo capítulo.
Refrigeradora de líquidos
por Compresión de vapor
(100 - 300 Ton), compresor rotaatorio helicoidal
de 2 etapas.
(The Trane Company)
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Ciclo Refrigeración
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Sistema de refrigeración por absorción que utiliza la
energía solar como fuente de energía.
Sistema de refrigeración por vacío;
al quitarle presión
es posible disminuir la temperatura. En este caso
utiliza un chorro
de vapor de agua
como enfriador.
Ciclo de Refrigeración con ciclo de aire. Funciona con
el ciclo Joule - Brayton invertido; estos sistemas se
utilizan en el enfriamiento de los aviones. El aire es
sacado del compresor del motor principal del avión.
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15.14 Criogenia
15.13 Bombas de Calor
Es la misma refrigeradora pero
lo que se utiliza es el calor que se
quita al sistema en lel condensador Q 23.
Criogenia: (ciencia del frío)
Consiste en la obtención de temperaturas menores de 100K. Uno de los métodos más frecuentes es la licuefacción de
gases; método Linde, método Claude y desmagnetización adiabática de una sal paramagnética.
COP ‘ = QH / Wt
Usado para obtener Temperaturas más frías
COP `- COP = 1
a) Compresor con 2 estrangulamientos
Podemos usar la misma
máquina para refrigerar
y dar calor (Calefacción)
con solo invertir una válvula. SE usa mucho en los
países fríos, en el Perú
no lo necesitamos tanto.
a) Dos compresores y dos estrangulamientos
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15.16 Refrigeraciòn por absorciòn
REFRIGRERACION POR ABSORCIÓN (a kerosene)
El calor que produce la combustión del kerosene KE (combustible más barato) tiene la función de aumentar
la Presión y Temperatura del compresor.
El refrigerante es una mezcla de hidrógeno, amoniaco y agua para compensar las presiones parciales.
Estas maquinas se usan comúnmente en el campo
(o donde no haya electricidad para hacer funcionar el motor eléctrico que acciona el compresor),
se aprovecha el calor de combustión del Kerosene
para elevar la presión del refrigerante. Reemplaza al compresor en el sistema típico de compresión de vapor.
Es decir, le damos calor para extraer calor, quien
entiende eso !!
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Problemas
1.- La máquina refrigeradora mostrada se emplea para fabricar hielo. Las condiciones normales de trabajo son:
P 1 = 2.2bar, T1 = 0° C; P 2 = 9bar , T2 = 60° C; T 3 = 35° C y el COP = 4.5.
a) Determinar las entalpías específicas hi en todos los estados.
b) ¿Qué flujo de refrigerante será necesario para obtener una producción de hielo de 1Tn/día?. Calor latente
de Fusión: 330kJ/kg
c) ¿Qué flujo de H 2O de refrigeración se requiere en el condensador?. Cp =4.186kJ/kg-K
Cambio de Temperatura entre entrada y salida de H2 O: “T =15° C
d) Hallar el Q transferido en el compresor.
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2. En el ciclo de refrigeración mostrado se ha obtenido los siguientes datos:
P1 = 1.7 bar, P2 = 9 bar, Pa = 5 bar, T2 = 60°C, T3 = 30°C.
Considere que a la salida del evaporador se tiene vapor saturado.
Se sabe además que el separador de vapor es adiabático e isobárico; y que el condensador y
el evaporador son isobáricos; el compresor es adiabático. Desprecie los cambios de energía
cinética y potencial. El refrigerante es Freón 12. Determinar:
a) El diagrama P-h del ciclo.
b) Determinar las entalpías de cada estado.
c) Los flujos de masa mb y mc, si se sabe que ma = 0.3kg/s.
d) El COP del ciclo.
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3. El sistema de refrigeración “en cascada” mostrado se utiliza para alcanzar bajas temperaturas
. Cada compresor disipa al ambiente 0.6kW de calor. Los procesos en el intercambiador de
calor adiabático, el evaporador y el condensador son isobáricos. En ambos circuitos se
utiliza Freón 12. Si m1 = 0.48kg/s, se pide determinar el COP de todo el sistema.
P1 = 2.5 bar
T1 = 0° C
Ta = - 20° C
P2 = 8 bar
T2 = 55° C
Tb = 30° C
Pa = 1 bar
T3 = 25° C
Tc = - 5° C
Pb = 3 bar
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4. Una planta de refrigeración que trabaja con Freón 12, funciona de acuerdo al esquema
mostrado. Si los compresores son adiabáticos con un rendimiento de 85% cada uno y las
salidas del condensador y de los evaporadores son estados saturados, se pide determinar:
a) La entalpía de cada estado.
b) La potencia en cada compresor.
c) El diagrama P-h.
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5. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor de una etapa con dos evaporadores,
trabaja con R-12, según el esquema técnico mostrado. Este arreglo es usado para conseguir
refrigerar a dos temperaturas diferentes con un solo condensador. El evaporador de baja
temperatura opera a -18° C con vapor saturado en la salida y tiene una capacidad de
refrigeración de 3 TON. El evaporador de alta temperatura tiene una capacidad de 2 TON,
con vapor saturado a 3.2 bar a la salida. La compresión es isentrópica, y del condensador
sale líquido saturado a 10 bar. (1 TON = 3.52 kW)
Determinar:
a) Entalpía en todos los estados.
b) Flujos de masa.
c) Calor transferido en el condensador.
d) Potencia del compresor.
e) Diagrama P-h.
En los compresores
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