Cap. i - Sistemas de Refrigeracion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECATRÓNICA

“AÑO DE LA CONSOLIDACION ECONOMICA Y SOCIAL EN EL PERU”

CAP. I: SISTEMAS DE REFRIGERACION

REFRIGERACION APLICADA

ALUMNO :

TAVARA FARFAN, MIGUEL ANGEL.

ÁREA TEMÁTICA :

REFRIGERACIÓN APLICADA

PROFESOR :

ING. MANNOLIO HUACHILLO CALLE

FECHA DE ENTREGA :

16 DE AGOSTO DEL 2010

PIURA - PERÚ

2010

REFRIGERACION APLICADA: SISTEMAS DE REFRIGERACION Pág. 1



INTRODUCCIÓN

Los sistemas termodinámicos para producir frío, son necesarios para la conservación de alimentos, medicamentos, acondicionamiento de ambientes y para el control de la temperatura de procesos exotérmicos. Las necesidades de refrigeración a escala mundial se ven afectadas por diversos factores tales como el agotamiento de las energías convencionales (combustibles fósiles) y la deficiencia en el suministro de la energía eléctrica debido en gran medida a la falta de infraestructura, como consecuencia de los altos costos de inversión y de la dificultad para el acceso a ciertas zonas de topografía especial, principalmente para regiones habitadas pero alejadas de las grandes metrópolis.

En Perú, gran parte de la población requiere de un sistema de refrigeración para lograr los niveles de confort adecuados, la conservación de los alimentos y el desarrollo económico de ciertas regiones que tienen necesidades de conservación en frío de sus productos.




LA REFRIGERACIÓN

La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo.

La refrigeración implica transferir la energía del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades termodinámicas. La temperatura es el reflejo de la cantidad o nivel de energía que posee el cuerpo, ya que el frío propiamente no existe, los cuerpos solo tienen más o menos energía térmica. De esta manera enfriar corresponde a retirar Energía (calor) y no debe pensarse en términos de " producir frío o agregar frío".

La salud y el bienestar de un país puede depender de los sistemas de refrigeración. Por ejemplo; la alimentación y el almacenamiento de vacunas, distribución, aplicación médica, industrial, comercial y doméstica de todo tipo depende de los sistemas de refrigeración.

Durante la década de los 90 casi todos los países firmaron y consecuentemente ratificaron el Protocolo de Montreal de Las Naciones Unidas y sus correcciones posteriores. Este acuerdo incluye una escala de tiempo estricto para la desaparición de refrigerantes que atacan el ozono y requiere el uso provisional hasta su sustitución por refrigerantes que no dañen el ozono. Este cambio resultó en el aumento de la variedad de refrigerantes de uso común existentes de 3 a 4 veces mayor y en la necesidad de asegurarse de que las prácticas de los ingenieros sean muy exigentes.

La firma del Acuerdo de Kyoto hace que aumente la necesidad de las prácticas ya que muchos de los sistemas de refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa o indirectamente al calentamiento global.

La gama de aparatos de refrigeración para la enseñanza y software de ordenador de la empresa ha sido diseñada para enseñar a los estudiantes los principios básicos de la refrigeración, para así asegurarse de que la próxima generación de ingenieros sea capaz de comprender y contribuir a los cambios fundamentales que están ahora dándose lugar en la industria de la refrigeración.


http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmica



Entre otras formas:

Aprovechar diferencias de temperaturas entre el medio receptor y emisor. Transfiriendo el calor por convección, conducción o Radiación.

Usar un proceso que requiera una aportación externa de energía en forma de trabajo, como el ciclo de Carnot.

Aprovechar el efecto magnetocalórico de los materiales, como en la desimanación adiabática.


http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetocal%C3%B3rico

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n



CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACION

1. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Los procesos en el que los refrigerantes son sometidos a un ciclo termodinámico de compresión, condensación, expansión y evaporación se denominan Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor, los cuales son ampliamente utilizados en el mundo, con una participación superior al 98% de las aplicaciones frigoríficas. En este sistema se incrementa la presión del vapor del refrigerante, desde la que tiene en el evaporador hasta la necesaria en el condensador, mediante la incorporación de energía eléctrica proporcionada al compresor.

En el compresor, el refrigerante entra en forma de vapor saturado a baja presión y recibe un trabajo mecánico que eleva su presión, temperatura y entalpía hasta llevarlo a un estado de vapor sobrecalentado, luego, en el condensador, el refrigerante es enfriado pasando por vapor saturado a alta presión y posteriormente hasta condensarlo, entregando al ambiente energía en forma de calor; posteriormente este líquido a presión pasa por un dispositivo de estrangulación que lo expande súbitamente llevándolo al estado de vapor húmedo a baja presión, lo cual a su vez enfría el refrigerante preparándolo para ser la fuente de frío del proceso; finalmente, en el evaporador el refrigerante extraerá calor del material refrigerado para pasar de nuevo al estado de vapor saturado a baja presión, el cual pasa al compresor cerrando el ciclo.




1.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

En su forma más sencilla, un sistema de refrigeración consta de cinco componentes: Compresor, Condensador, Evaporador, Dispositivo de Expansión y Tuberías

Compresor: Es el corazón del sistema, ya que mueve el flujo de refrigerante. Su función es recibir vapor de refrigerante a baja presión (y temperatura) proveniente del evaporador y comprimirlo a alta presión (y temperatura). El vapor a alta presión es convertido a fase líquida en el condensador.

Condensador: El condensador absorbe el calor que trae el vapor de refrigerante a alta presión y lo transfiere al aire forzado que recibe de los ventiladores, o hacia el agua de enfriamiento, según sea enfriamiento por aire o por agua. El vapor de refrigerante se condensa dentro de este intercambiado, pasando a la fase líquida.

Dispositivo de Expansión. En fase líquida el refrigerante generalmente es almacenado y posteriormente llega a la válvula de expansión. El líquido, que permanece a alta presión antes de la válvula, es estrangulado en su paso por este dispositivo y expandido, transformándose en una mezcla líquida gaseosa a baja presión. Este dispositivo separa la zona de alta de la baja presión.

Evaporador, equipo donde concluye la evaporación de la mezcla de refrigerante líquido - gas, absorbiendo calor del medio que está siendo enfriado. Todo el refrigerante debe pasar al estado vapor.

Saliendo del evaporador, ya en forma de vapor, con una presión y temperatura baja, el refrigerante regresa a la succión del compresor para nuevamente ser comprimido y recalentado. Por supuesto, la comunicación de los equipos para el transporte de refrigerante, se realiza mediante conductos de tuberías, las que requieren en algunas zonas del sistema, aislarse térmicamente. Dado que el dispositivo de expansión regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador, su selección es de particular importancia para la operación posterior del sistema de refrigeración.

De acuerdo al tipo y la complejidad del sistema de refrigeración, encontramos distintos medios auxiliares integrados al sistema. Entre ellos los instrumentos de medición y control, tales como manómetros y termómetros indicadores y registradores, los amperímetros y voltímetros para medir los parámetros de la corriente eléctrica y medidores de flujo. Otros medios auxiliares son los filtros, tanque de almacenamiento de refrigerante, visores de líquido, visores de nivel de aceite, válvulas de sobrepresión, etc. También, para los sistemas que emplean agua de enfriamiento en la condensación, o enfrían agua, está




presente el sistema de Tratamiento Químico del Agua (TQA). El sistema de TQA se integra al de refrigeración, fusionándose por decirlo, pues su comportamiento y estado técnico influirá directamente en la eficiencia energética del sistema de refrigeración.

Finalmente, un componente principal en este conjunto, es el hombre, quien diseña, proyecta, selecciona, opera, mantiene y controla este tipo de sistema energético, que como hemos conocido antes, son altos consumidores de energía. De ahí que la formación y preparación de personal, de técnicos y especialistas en esta rama energética, es de suma importancia.

1.2. CICLO REAL E IDEAL DE COMPRESIÓN DE VAPOR

Todo ciclo de refrigeración real presenta variaciones respecto del ciclo ideal, entre ellas esta la caída de presión que experimenta el fluido al pasar por las tuberías y los equipos, un sobrecalentamiento del gas refrigerante que sale del evaporador, que afecta negativamente el COP del sistema, y el subenfriamiento del líquido en el condensador.

Para compensar los efectos del sobrecalentamiento del vapor, se puede instalar un intercambiador de calor que subenfríe el condensado con el vapor, con esto se logra un aumento en el efecto refrigerante, aunque el COP del sistema no mejore en comparación con un sistema ideal.




1.3. VARIANTES DE LOS SISTEMAS DE COMPRESIÓN DE MECÁNICA

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor tienen variantes en el número de etapas de compresión, en la forma de alimentar el líquido al evaporador y algunas particularidades como el utilizar interenfriamiento, recircular el refrigerante líquido o utilizar refrigerantes secundarios.

1.3.1. COMPRESIÓN EN UNA ETAPA

La compresión en una etapa es la configuración básica del sistema de refrigeración por compresión de vapor, conformado por un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión, y un evaporador. Generalmente trabaja temperaturas de evaporación entre -30ºC y 0ºC.




1.3.2. COMPRESIÓN EN VARIAS ETAPAS Y UTILIZACIÓN DE REFRIGERANTES SECUNDARIOS

Cuando se requieren temperaturas por debajo de los -40ºC resultan más económicos la utilización de refrigerantes secundarios o los sistemas de compresión en varias etapas. Los ciclos mecánicos de refrigeración con varias etapas de compresión de vapor pueden ser sistemas compuestos, con varios compresores para alcanzar temperaturas entre -20ºC y -80ºC, y los sistemas en cascada, son aquellos que usan más de un refrigerante para alcanzar temperaturas por debajo de -80ºC.

1.3.3. FORMAS DE ALIMENTACIÓN DEL LÍQUIDO AL EVAPORADOR

La alimentación al evaporador debe generar una expansión del líquido saturado o subenfriado para obtener el enfriamiento deseado; para lograrlo se puede producir una expansión directa a la entrada del evaporador, una sobrealimentación de la fase líquida separada previamente en otro recipiente o una mezcla de los dos métodos anteriores que sería el uso de un evaporador inundado.




2. REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

Los sistemas de refrigeración por absorción difieren de los convencionales por compresión de vapor, en el hecho de que la etapa de compresión es reemplazada por 2 procesos: generación y absorción. Estos sistemas aprovechan la capacidad de absorción y desorción que tienen ciertas sustancias sobre otras (por ejemplo agua y amoníaco) para generar el efecto de refrigeración.

El ciclo de absorción funciona así: La mezcla de refrigerante y absorbente rica en refrigerante se bombea al generador, donde se calienta para evaporar gran parte del refrigerante, el cual pasa al condensador donde se enfría; el refrigerante sigue su camino por un dispositivo de expansión donde pierde presión y en consecuencia es enfriado aún más; luego va al evaporador a baja presión, donde el refrigerante absorbe energía térmica del medio externo evaporándose y logrando el efecto de refrigeración requerido; seguidamente el refrigerante va al absorbedor donde se encuentra con una mezcla rica en absorbente que regresa del generador, allí se mezclan absorbente y refrigerante para ser bombeados una vez más al generador.




El rendimiento para el ciclo de absorción, es menor que en el método por compresión de vapor (COP entre 0,8 y 1,2 frente a 3 y 5,5 para compresión de vapor), sin embargo, en algunos casos esto se justifica cuando la energía proviene de una fuente térmica más económica (comparando con la energía eléctrica), incluso residual o un subproducto destinado a desecharse.

1.4. SISTEMAS MÁS UTILIZADOS

En los sistemas de refrigeración por absorción usados para las aplicaciones de aire acondicionado y temperaturas mayores a 0°C, la mezcla de refrigerante y solvente que se utiliza es agua y bromuro de litio; mientras que para temperaturas hasta -60°C se utiliza amoniaco y agua, como en el gráfico de la figura. No se han encontrado otras mezclas apropiadas para estas aplicaciones, aunque se están desarrollando sistemas de adsorción, en los que el refrigerante es adsorbido en matrices sólidas de zeolitas.

1.4.1. Sistema Agua – Amoniaco En este sistema el refrigerante es el amoniaco y el absorbente el agua. Es un ciclo utilizado en aplicaciones industriales por las altas temperaturas que maneja en el generador, el cual es una torre de destilación, y por la toxicidad del amoniaco. Los valores del rendimiento o COP están entre 0,4 y 0,5 para enfriar agua a 7ºC.




1.4.2. Sistema Bromuro de Litio – Agua. En este sistema el refrigerante es el agua y el absorbente el bromuro de litio. Es un ciclo que tiene aplicaciones no industriales, principalmente enfriamiento de agua a 6,5ºC. Generalmente el valor del COP es de 0,7 o mayor.




3. SISTEMAS DE REFRIGERACION MAGNETICA

La refrigeración magnética aprovecha el efecto magnetocalórico (MCE) para reemplazar los procesos de compresión y expansión de los sistemas convencionales por procesos de magnetización y desmagnetización de un material magnetocalórico.

A diferencia del ciclo de vapor, en los sistemas de refrigeración magnética el refrigerante (material magnetocalórico) es un sólido y no se puede bombear a través de intercambiadores de calor. Por tanto se emplea un fluido que transfiere la energía entre el refrigerante magnético y los depósitos.

Este sistema de refrigeración presenta grandes ventajas ambientales y energéticas. Al suprimir el compresor, aumenta la eficiencia y reduce la emisión de CO2. También disminuye el efecto invernadero causado por los CFC y HFC, porque reemplaza los refrigerantes del ciclo de

vapor por un refrigerante magnético y un fluido, que puede ser agua o helio dependiendo de la temperatura de aplicación.

La manifestación del efecto magnetocalórico como un cambio de entropía isotérmico o un cambio de temperatura adiabático, permite obtener diferentes ciclos termodinámicos. En este artículo se presentan los principios termodinámicos de los ciclos magnéticos de Carnot y de Brayton, señalando las limitaciones termodinámicas de los sistemas de refrigeración que emplean el ciclo de Carnot. Adicionalmente, se presenta la descripción del ciclo de Regeneración Magnética Activa (AMR).

El ciclo de Carnot se realiza en dos procesos de cambio de temperatura adiabático y dos procesos de cambio de entropía isotérmico. Esto permite estudiar directamente las manifestaciones del MCE.

La aplicación del ciclo de Carnot se restringe a temperaturas inferiores a 20K, debido al aumento de la capacidad de calor con el aumento de la temperatura. Al aumentar la capacidad de calor disminuye el MCE y aumenta la energía necesaria para cambiar el orden magnético del material. El intervalo de temperaturas de operación está limitado por el cambio de temperatura adiabático a temperaturas inferiores a 22K.

En la refrigeración magnética el refrigerante es un sólido y no un fluido, por tanto no es apropiado emplear el término calor específico, tanto la entropía como la capacidad de calor son propiedades extensivas.

El ciclo de Brayton es un ciclo regenerativo que permite obtener amplios intervalos de temperatura de operación. Puede operar a temperaturas altas, porque el




intercambio de calor entre el refrigerante magnético y el fluido no se realiza en los procesos de cambio de entropía isotérmico (como en el ciclo de Carnot), sino en procesos en los que la intensidad magnética permanece constante.

Las principales aplicaciones de la refrigeración magnética han sido en licuefacción de gases, aplicaciones aeroespaciales, aplicaciones médicas de imágenes de resonancia magnética y el enfriamiento de sensores infrarrojos para aplicaciones científicas y militares. Se espera que en los próximos años se pueda emplear en aplicaciones comerciales a temperatura ambiente, en sistemas de aire acondicionado y refrigeradores domésticos.

1.5. CICLOS MAGNÉTICOS

La manifestación del efecto magnetocalórico como un cambio de entropía isotérmico o un cambio de temperatura adiabático, permite adecuar los sistemas de refrigeración magnética para obtener diferentes ciclos termodinámicos. En los estudios sobre la refrigeración magnética, es común encontrar representaciones de estos ciclos tanto en diagramas de la temperatura en función de la entropía como en diagramas de entropía en función de la temperatura. En este trabajo se emplean diagramas de la temperatura en función de la entropía para representar los ciclos de Carnot y de Brayton.

Inicialmente, los refrigeradores magnéticos operaban con el ciclo de Carnot. Sin embargo, actualmente emplean ciclos regenerativos como los ciclos de Brayton y de regeneración magnética activa (AMR).

Este cambio se presenta porque con el ciclo de Carnot, la aplicación de la refrigeración magnética está limitada por el cambio de temperatura adiabático del material magnetocalórico. El ciclo de Carnot se emplea en aplicaciones criogénicas, con intervalos de temperatura cercanos a 20K, mientras que los ciclos regenerativos pueden operar a temperaturas más altas, con intervalos de temperatura mayores.

La transferencia de calor en el ciclo Brayton se presenta de forma diferente a la del ciclo de Carnot. En este último la transferencia de calor entre el fluido y el material magnetocalórico (también llamado refrigerante magnético) ocurre en un proceso isotérmico, mientras el material se magnetiza o desmagnetiza. En cambio, en el ciclo de Brayton la transferencia de calor se realiza en los procesos donde la intensidad magnética permanece constante.

Esto permite una mayor transferencia de calor entre el material magnetocalórico y el fluido.




WEBGRAFIA

RefrigeraciónWIKIPEDIA: LA ENCICLOPEDIA LIBRESite: www.wikipedia.com

Tutorial para el uso Racional de la EnergíaMINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA – COLOMBIAUnidad de Planeación Minero Energética

Site: www.si3ea.gov.co/Eure/

Principios termodinámicos de la refrigeración magnéticaSITIO DE MONOGRAFIASSite: www.monografias.com

INGENIERIA ENERGETICA

GENERAL

Sistemas de RefrigeraciónINGENIERÍA ENERGÉTICA GENERALSite: www.energianow.com


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