CICLOS DE REFRIGERACIÓN

INTRODUCCIÓN

En nuestra época los ciclos inversos también denominados ciclos de refrigeración, como el análisis de las maquinas térmicas, es de singular importancia en ingeniería. Muchas técnicas modernas en general, exigen de la obtención de temperaturas comprendidas entre el cero absoluto y la temperatura ambiente como por ejemplo: Fabricación de procesos industriales, la fabricación de productos químicos, acondicionamiento de ambientes, conservación de alimentos, licuefacción y solidificación de gases, etc.

Es frecuente el caso en el que un ingeniero se vea enfrentado al hecho de que en una instalación haya requerimientos de calefacción o de transferencia de calor para procesos; es una posibilidad el que en ves de recurrir a la electricidad o combustión pueda optar por usar un ciclo inverso para operar una Bomba de Calor o Termobomba.

Se considera que la primera maquina de refrigeración que funciono con éxito a John Gorrie(1884), la cual funcionaba con un ciclo de aire y el fluido no sufría cambio de fase.

BOMBA DE CALOR

Denominación de los equipos de aire acondicionado que pueden invertir su funcionamiento para producir calor además de frío. Este proceso se lleva a cabo mediante un sistema de válvulas llamadas "válvula de 4 vías" que permite que el evaporador y el condensador intercambien sus papeles, sin que el compresor tenga que alterar su funcionamiento

ESQUEMAS DE MAQUINA REFRIGERADORA Y BOMBA DE CALOR

MAQUINA REFRIGERADORA

BOMBA DE CALOR

CICLO DE REFRIGERACIÓN

esREFRIGERANTE Sustancia utilizada

en los sistemas de refrigeración

esCARGA DE

REFRIGERACIÓNCalor absorbido por

el refrigerante

esEFECTO

REFRIGERANTEExpresado en

unidades de calor por Kg de

refrigerante

esEFECTO

CALEFACTOR ÚTIL

Calor transferido a cámara de

calefacción

esTONELADA DE

REFRIGERACIÓNUnidad que

corresponde al E.R.U.

Monofluor tricloro metanoCCl3F R-11

Difluor dicloro metanoCCl2F R-12

Difluor monocloro metanoCClF2 R-12

MetanoCH4 R-50

Amoniaco NH3 R-717

AguaH2O R-718

Anhídrido carbónico CO2 R-744

Anhídrido sulfurosoSO2 R-764

tenemos

REFRIGERANTES MAS USADOS

DEFINICIONES

CLASIFICACIÓN DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN

Se clasifican

C.R. por comprensión de vapor

Cambia de fase (líquido-vapor)

Compresor comprime vapor

cuando

y el

C.R. por Absorción

Es una mezcla de sustancias puras

Varían con la concentración de la mezcla

cuando

y

C.R. por comprensión de gas

Permanece en fase gaseosa

En cabinas de aviones

cuando

se usa

Refrigeraciónal vacío

Un fluido en cámara flash a baja presión

Para obtener agua fría y hielo

seco

es

se utiliza

Refrigeración termoeléctrica

Efectos termoeléctricos

En termopares al paso de la c.

eléctrica

se utiliza

se presentan

Criogenia

Obtención de temperaturas

menores

Relación Curie o 2º Ley

termodinámica

consiste

se determina

CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE GASES.

Es el ciclo Joule – Brayton inverso y se caracteriza porque la sustancia de trabajo no cambia de fase (fase gas), se puede considerar como gas ideal (sustancia de trabajo).

1-2: Compresión adiabática2-3: Enfriamiento isobárico (transfiere qA)3-4: compresión adiabática4-1: calentamiento isobárico (recibe qB)

CICLO ABIERTO

El aire es tomado del ambiente a refrigerar en el estado 1 comprimido adiabaticamente (1-2), enfriado isobaricamente (2-3), se expande en una turbina adiabaticamente (3-4) y en estado 4 ingresa al ambiente por refrigerar cerrando teóricamente el circuito.

CICLO REGENERATIVO DE REFRIGERACIÓN CON GASES

La temperatura a la que ingresa al compresor es mayor que la que ingresa a la turbina, en estas circunstancias se puede hacer uso de un intercambiador regenerativo, es decir el enfriamiento se hace en dos etapas, uno se hace intercambiando calor con el medio ambiente y el otro intercambiando calor en el intercambiador regenerativo.

PROCESO DE ENFRIAMIENTO AL VACIO

ESQUEMA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN AL VACÍO

REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA

Un refrigerador termoeléctrico es un tipo especial de semiconductor que funciona como una bomba de calor. Aplicándole una tensión continua, el calor será desplazado en la dirección de la corriente (del + hacia el -). El calor es “bombeado” de una cara del módulo a la otra, de manera que una estará fría y la otra caliente, y el efecto es reversible. Esto es conocido también como el Efecto Peltier(1834).

Cuando la corriente pasa a través de una unión de dos diferentes tipos de conductores produce un cambio de temperatura. Sin embargo, la aplicación práctica de este concepto requiere el desarrollo de semiconductores que sean buenos conductores de la electricidad y pobres conductores del calor - el equilibrio perfecto para las características TEC (Termoeléctricas). Hoy en día se utiliza principalmente el Telurido de Bismuto como material semiconductor, dopado fuertemente para crear un exceso (tipo-n) o una deficiencia (tipo-p) de electrones.

Este refrigerador termoeléctrico sirve para intercambiar calor sin utilizar piezas móviles, mediante la circulación de corriente eléctrica a través de módulos Peltier. Además, sirve para aquellos sistemas en los que se desea invertir el sentido del bombeo de calor (es decir, que pueda calentar o enfriar en ambas direcciones).

Sin embargo, debido al considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier, los termo-refrigeradores/calentadores no se suelen utilizar en los hogares.

Por el contrario, se usan donde se requiera no tener partes móviles o invertir el sentido del flujo de calor (como en los pequeños portamuestras de algunos espectrofotómetros utilizados en laboratorios biomédicos).

También se utilizan dentro de automóviles, campings u oficinas, donde sea conveniente tener un refrigerador pequeño y liviano, y no sea importante un alto consumo eléctrico.

Circuito efecto Peltier

Los TE y los refrigeradores mecánicos están gobernados por la misma ley termodinámica. En un refrigerador mecánico, el compresor genera la presión en un líquido refrigerante y la hace circular a través del sistema. En el evaporador o "freezer" el refrigerante hierve absorbiendo energía del medio, causando enfriamiento. El calor absorbido en el freezer es movido al condensador en el cual el líquido se condensa, liberando la energía que había absorbido en el freezer. En un TE, un semiconductor dopado, esencialmente toma el lugar del líquido refrigerante, el condensador es remplazado por un disipador de calor, y el compresor por una fuente DC

CRIOGENIA

La criogenia es la ciencia y la técnica de obtener temperaturas menores de 110 k

Las temperaturas entre 110k y 0k se les denomina TEMPERATURAS CRIOGENIAS

Algunas de estas técnicas de obtención de bajas temperaturas son:

MÉTODO LINDE

Una vez eliminadas las interferencias del vapor de agua, las partículas y el dióxido de carbono, el aire se comprime y se refrigera a muy bajas temperaturas, licuándose y separándose por destilación fraccionada en oxígeno, nitrógeno, argón y otros gases nobles.

DESMAGNETIZACIÓN ADIABÁTICA DE UNA SAL PARAMAGNÉTICA

El proceso de descenso de la temperatura se inicia enfriando previamente la sal mediante helio líquido; una vez alcanzado el nivel térmico deseado, se somete a la sal a la acción de un campo magnético muy potente que orienta sus moléculas, lo que origina un desprendimiento de calor que se elimina a través del gas licuado; una vez conseguida la eliminación del calor se aísla la sal y se desconecta el campo magnético, con lo que las moléculas de la sal vuelven a su estado inicial, para lo que se requiere un trabajo que, por estar la sal completamente aislada, lo obtiene de su propia energía interna, ocasionando un descenso en la temperatura hasta los límites mencionados.