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
1. Repblica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder
Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental
Politcnica de la Fuerza Armada Ncleo Sucre sede Cuman Ciclos de
refrigeracin Revisado por: Realizado por: Bravo, Doriangel C.I:
23817512 Dimas, Jos C.I: Ingeniera Mecnica Mayo, 2015
2. INDICE
INDICE................................................................................................................................................2
INTRODUCCION..................................................................................................................................3
CICLOS DE
REFRIGERACION................................................................................................................4
ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE
REFRIGERACIN.....................................................4
CICLO DE CARNOT
INVERSO...............................................................................................................6
CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE
VAPOR..................................................................8
Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del
sistema de refrigeracin...........10 CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR
COMPRESIN 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 REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR MLTIPLES
ETAPAS...........................13 CICLO DE REFRIGERACIN POR
ABSORCIN DE
AMONIACO...........................................................15
CONCLUSIN....................................................................................................................................18
BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................20
3. INTRODUCCION El calor puede transferirse desde cuerpos de
menor temperatura a otros de mayor temperatura, para lo cual deben
utilizarse sistemas tcnicos que permitan el uso de potencia para
realizar esa funcin. Este tipo de sistemas se conoce como sistemas
de refrigeracin 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 refrigeracin por compresin de vapor o
ciclos Clausius-Rankine invertidos y son los ms utilizados
comercialmente. Los ciclos de refrigeracin por compresin de gas
corresponden al ciclo Joule- Brayton invertido y son utilizados
para el acondicionamiento del aire en las cabinas de aeronaves, por
ejemplo. Los ciclos de refrigeracin incluyen los procesos de
compresin de la sustancia refrigerante; su condensacin hasta lquido
saturado o levemente subenfriado; la expansin de este lquido,
normalmente en una vlvula de estrangulacin, y su evaporacin en el
recipiente del cuarto fro, en el cual se retira calor a las
sustancias que deben enfriarse. El uso de vlvulas de estrangulacin
a cambio de turbinas para realizar la expansin de la sustancia
refrigerante se debe a los bajos niveles de potencia que pueden
generarse segn las condiciones de operacin 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 refrigeracin son el
compresor, el intercambiador de calor o condensador, la vlvula de
estrangulamiento, y el evaporador, que es donde ingresa calor a la
sustancia refrigerante proveniente del medio que se est
enfriando.
4. CICLOS DE REFRIGERACION Una de las principales reas de
aplicacin de la termodinmica es la refrigeracin, que es la
transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia
una temperatura superior. Los dispositivos que producen la
refrigeracin se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que
operan se denominan ciclos de refrigeracin por compresin de vapor,
donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para
luego comprimirse en la fase de vapor. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE
LOS CICLOS DE REFRIGERACIN De la prctica cotidiana el calor fluye
desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura sin
necesidad de algn dispositivo. El proceso inverso no sucede por si
solo (principio de la segunda ley de la termodinmica), 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
cclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de
refrigeracin se llaman refrigerantes. En la figura 1-A, se muestra
de manera esquemtica un refrigerador. En este caso QSum es la
magnitud del calor extrado 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 analiz, 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 desempeo de los refrigeradores y
de las bombas de calor se expresa en los trminos de coeficiente de
operacin (COP), el cual se define como: Ecuacin (1)
5. Ecuacin (2) Es importante resaltar que el COP de los
refrigeradores y bomba de calorpueden ser mayores a uno. Debido a
que: Ecuacin (3) Para valores fijos de QL y QH. Esta relacin
implica que COPBC f 1 puesto que COPR es una cantidad positiva, es
decir, una bomba de calor funcionar en el peor de los casos, como
un calentador de resistencia. La capacidad de enfriamiento de un
sistema de refrigeracin (la rapidez del calor extrado del espacio
refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeracin
equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la
capacidad que tiene un sistema de refrigeracin en convertir 1
tonelada de agua liquida a 0 C (32 F) en hielo a 0C (32 F) en 24
horas. (fig 1-a): Esquema de sistema de refrigeracin.
6. (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 direccin
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 prctica no es utilizado, sirve de referencia para evaluar el
desempeo de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas
condiciones de temperatura
7. (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 saturacin de un refrigerante, como el que
se muestra en la figura (2.1-a)
8. 1-2 Se transfiere (absorcin) calor reversiblemente desde la
regin fra TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta
cambios de fase. 2-3 Se comprime el refrigerante isoentrpicamente,
hasta que alcanza la temperatura mxima TH. 3-4 Se transfiere calor
reversiblemente a la regin caliente a TH, de forma isoterma, donde
el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a lquido). 4-1
Se expande el refrigerante isoentrpicamente hasta, alcanzar la
temperatura mnima TL Los inconvenientes de un ciclo de refrigeracin
de Carnot como modelo de dispositivo prctico radican en los
procesos de compresin y expansin. En general debe evitarse
comprimir una mezcla hmeda por el dao de las presencias de pequeas
gotas liquidas puedan causar al compresor (caso anlogo de las
turbinas de vapor). La expansin con una turbina bajo condiciones
similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restriccin a
las condiciones de saturacin limita la capacidad de absorber calor.
Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas
inherentes al ciclo de Carnot conducen en la prctica al ciclo de
refrigeracin por compresin de vapor. CICLO DE REFRIGERACIN POR
COMPRESIN DE VAPOR. En el proceso de compresin de vapor se realizan
modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes
consideraciones: En el proceso de compresin, el fluido de trabajo
solo debe estar en la fase de vapor. Para expansionar el
refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo ms econmico y
con cero mantenimientos (vlvula de estrangulamiento o tubo
capilar). La temperatura de condensacin no debe limitarse a la zona
de saturacin.
9. Muchos aspectos imprcticos 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 vlvula de expansin o
tubo capilar (ver figura 3.1-a) (fig 3.1-a): Ciclo de refrigeracin
por compresin de vapor. (fig 3.1-b): Diagrama Ts.
10. Para cada proceso, la ecuacin general de energa en rgimen
estacionario por unidad de masa, despreciando la variacin de la
energa cintica y potencial est dada por Ecuacin (4) La capacidad de
refrigeracin, es el flujo de calor transferido en el evaporador
planteada as: Ecuacin (5) En el compresor y en el proceso de
estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que slo existe
trabajo en el proceso de compresin. El coeficiente de operacin del
ciclo est dado por: Ecuacin (6) Principio de funcionamiento de los
principales dispositivos del sistema de refrigeracin. Evaporador:
Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra 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 saturacin del refrigerante debe ser menor que la
temperatura de la regin fra. Condensador: El refrigerante se
condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver
figura 3.1-b). El agua y el aire atmosfrico son las sustanciales
habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para
conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturacin del
refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes
atmosfricas.
11. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el
condensador logrando la liberacin del calor desde el sistema al
ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de
aumentar su presin y en consecuencia su temperatura (generalmente
temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia
de entrada depende de las necesidades de enfriamiento. Vlvula de
estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario
revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas
temperatura al disminuir la presin (estrangular), logrando las
condiciones requeridas en el evaporador. CICLO REAL DE REFRIGERACIN
POR COMPRESIN DE VAPOR Un ciclo real de refrigeracin como el
mostrado en la 4.1a por compresin de vapor, difiere de uno ideal
por varias razones. Entre las ms comunes estn las
irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes
comunes de irreversibilidades son la friccin del fluido (que
provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde
los alrededores. (fig 4.1-a): Ciclo de refrigeracin por compresin
de vapor
12. (fig 4.1-b): Diagrama Ts real. Influencia de las
irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresin en el
ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, en
consecuencia, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real
incluir efectos friccionantes los cuales incrementan la entropa y
la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la
entropa, dependiendo de la direccin. En el caso adiabtico e
irreversible la salida real puede determinarse a partir del
rendimiento adiabtico del compresor planteado como: Ecuacin (7)
Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los
ciclos ideales de refrigeracin, el fluido de trabajo sale del
evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta
condicin es imposible de mantener el estado del refrigerante con
tanta precisin. En lugar de eso se procura disear el sistema de
manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada
del compresor para as garantizar evaporacin completa al momento de
ingresar al compresor. Asimismo, en lnea que
13. conecta al evaporador al compresor suele producirse cadas
de presin 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 refrigeracin, el fluido de trabajo sale del
condensador como liquido saturado a la presin de salida del
compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan cadas de
presin en el condensador as como en las lneas que conectan al
compresor y a la vlvula de estrangulamiento, adems de la
imposibilidad de mantener con precisin la regulacin del condensador
para tener a la salida lquido saturado, y es indeseable enviar
refrigerante a la vlvula de estrangulamiento sin condensar en su
totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorcin de calor,
por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para
disminuir la entalpa de entrada a la vlvula de estrangulamiento y
en consecuencia aumentar la capacidad de absorcin de calor (efecto
refrigerante) SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR
MLTIPLES ETAPAS Para sistemas de compresin de vapor, donde se desea
reducir el trabajo de entrada del compresor, se realizan
modificaciones que consiste en incluir la compresin multietapa con
refrigeracin intermedia. En estos ciclos de refrigeracin intermedia
el sumidero de energa 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 fraccin de vapor que
se forma en la cmara de evaporizacin instantnea, es la calidad X
del fluido en el estado 6 del diagrama de mquinas tal como se
observa en la figura 5.1-a, y es la fraccin de flujo que pasa por
la cmara de mezcla proveniente de la
14. cmara de evaporacin instantnea. La fraccin de lquido
formado es 1-X, que corresponde a la fraccin 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 energa en la cmara de mezcla en condiciones
adiabticas, para determinar la entalpa, a la salida de la cmara se
tiene:
15. Ecuacin (8) El efecto de refrigeracin por unidad de masa
que atraviesa el evaporador es: Ecuacin (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: Ecuacin
(10) El COP del ciclo de compresin de vapor de dos etapas, con
refrigeracin intermedia regenerativo, se sigue definiendo como:
Ecuacin (11) CICLO DE REFRIGERACIN POR ABSORCIN DE AMONIACO. Los
sistemas de refrigeracin por absorcin, implican la absorcin de un
refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeracin
por absorcin ms 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 refrigeracin por absorcin
son los de agua- bromuro de litio y agua-cloruro de litio, en los
que el agua sirve como transporte.
16. (fig 6.1a): Ciclo de Absorcin de amoniaco El COP de
sistemas de refrigeracin por absorcin se define como: Ecuacin (12)
El COP mximo de un sistema de refrigeracin por absorcin se
determina suponiendo que el ciclo es totalmente reversible, con
base en la figura 6.1b se plantea: (6.1 b): Maquina trmica de
refrigeracin. .
17. Ecuacin (13) Ecuacin (14)
18. CONCLUSIN Un refrigerador se define como una mquina cuya
funcin 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 til como en un sistema de
calefaccin, la mquina se denomina bomba de calor. La sustancia de
trabajo que funciona en un refrigerador comn recibe el nombre de
refrigerante. El ciclo bsico de refrigeracin opera de la siguiente
forma: el refrigerante lquido a alta presin es alimentado al tanque
recibidor a travs de la tubera de lquido, pasando por un filtro
desecante hacia el instrumento de control, que separa los lados de
alta y de baja presin del sistema. Existen varios instrumentos de
control de flujo que pueden emplearse, por ejemplo, la vlvula de
expansin, que controla la alimentacin del refrigerante lquido al
evaporador y que, por medio de un pequeo orificio, reduce la presin
y la temperatura del refrigerante. La reduccin de presin en el
refrigerante lquido provoca que ste hierva o se vaporice, hasta que
el refrigerante alcanza la temperatura de saturacin correspondiente
a la de su presin. Conforme el refrigerante de baja temperatura
pasa a travs del evaporador, el calor del elemento a enfriar fluye
a travs de las tuberas, haciendo que la accin de ebullicin contine
hasta que el refrigerante se encuentre totalmente vaporizado. La
vlvula de expansin regula el flujo a travs del evaporador para
mantener el sobrecalentamiento constante, con el propsito de
mantener el diferencial de temperatura que existe entre la
temperatura de vaporizacin y el vapor que sale del evaporador.
Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador cambia, el
bulbo de la vlvula de expansin registra variacin y acta para
modular la alimentacin a travs de la vlvula de
19. expansin a fin de adaptarse a las nuevas necesidades. El
vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a travs de la lnea
de succin hacia la entrada del compresor. El compresor toma el
vapor a baja presin y lo comprime aumentando tanto su presin, como
su temperatura. El vapor caliente, al alcanzar una alta presin, es
bombeado fuera del compresor a travs de la vlvula de descarga hacia
el condensador. A medida que pasa a travs de ste, el gas a alta
presin es enfriado por algn 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 saturacin, correspondiente a la alta presin del
condensador, el vapor se condensa y fluye al recibidor como lquido,
repitindose nuevamente el ciclo.
20. BIBLIOGRAFIA Cengel, Y. y Boles, M. Termodinmica.
McGraw-Hill. Sptima edicin, Mxico, 2012. Wark, K. y Richards, D.
Termodinmica. McGraw-Hill. Sexta edicin, Espaa, 2001.