UNIVERSIDAD DE QUINTANA ROO

DIVISION DE CIENCIAS E INGENIERIASINGENIERIA EN SISTEMAS DE ENERGIA

FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE LA REFRIGERACION

AUTOR:

(*) Dr. Fernando E. Flores Murrieta

Chetumal, Q. Roo Enero 2010

(*) Prof.- Investigador UQROO-ISE

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3

5

1

p

h

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3

1

4 5 6

CONDENSADORrRR

INTERCAMBIADORDE CALOR

EVAPORADOR

P R O L O G O

Este trabajo tiene el objetivo de servir a los estudiantes de la carrera de Ingeniería en Sistemas de Energía de la Universidad de Quintana Roo como material de trabajo en la asignatura de:

“Refrigeración y Aire Acondicionado”

Asimismo, se pretende que sirva de apoyo didáctico y académico en aquellas materias relacionadas con el intercambio de energía térmica, como son: Termodinámica; Transferencia de Calor; Energía Solar Fototérmica; Instalaciones Térmicas I y II.

En este trabajo se consideran los ciclos termodinámicos básicos más utilizados para obtener las bajas temperaturas que se requieren en refrigeración. Tales ciclos son los que corresponden a: compresión mecánica; gas; absorción y bomba de calor. Asimismo, se dan las bases para realizar el dimensionamiento de un sistema de refrigeración de acuerdo a las características de enfriamiento, siempre dirigido al ahorro de energía.

Este texto es un primer esfuerzo para mejorar el proceso de enseñanza y aprendizaje en este campo, por tal motivo se espera contar con la retroalimentación crítica de profesores y estudiantes interesados en la refrigeración.

Se agradece el apoyo otorgado por la Universidad de Quintana Roo para la elaboración de este trabajo, así como la colaboración de los estudiantes de Ingeniería Felipe Tox Pereira y Arturo Llovera Esteban por sus aportaciones en la preparación del presente material.

EL AUTOR

CHETUMAL, 2010.

I LA REFRIGERACION.

1.1 INTRODUCCION.

Se considera a la refrigeración como la técnica para enfriar y lograr mantener a un cuerpo a temperaturas inferiores a la del medio ambiente. La técnica de enfriamiento depende del objetivo que se persiga ya sea para preservar alimentos o para enfriar líquidos.

La historia de la refrigeración data de cientos de años cuando el hielo natural y la nieve eran los únicos elementos que proporcionaban el efecto de enfriamiento. Los chinos recolectaban hielo y lo almacenaban en invierno empacándolo en paja o hierba seca, para utilizarlo en verano. En el caso de los antiguos egipcios, estos guardaban vino y otros líquidos en recipientes de barro poroso y los colocaban durante la noche en los techos de sus viviendas, las brisas frías enfriaban el contenido por efecto de evaporación. Asimismo, durante la colonización norteamericana se construyeron "casas de hielo", para almacenar el hielo recolectado en invierno y preservar alimentos y bebidas. [23]

Durante el período comprendido entre el final de1800 y principios de 1900, se desarrolló ampliamente la refrigeración industrial, mediante la aplicación del ciclo de refrigeración mecánica en empacadoras de carne, carnicerías, cervecerías, etc. Posteriormente, con la electrificación a gran escala, se incrementó el uso de refrigeradores domésticos, que sustituyeron a las “cajas de hielo” que requerían un bloque de éste por día. El desarrollo de los refrigeradores domésticos se debió principalmente al diseño de motores eléctricos de baja potencia, para accionar a los compresores de las "cajas de hielo mecánicas". [23]

Actualmente las técnicas de refrigeración se utilizan en: Combustibles líquidos para cohetes; oxígeno líquido para fabricar acero; nitrógeno líquido para la investigación criogénica y para técnicas quirúrgicas; gas natural licuado para transporte; en producción química y en procesos industriales son algunos ejemplos que requieren de la refrigeración.

En este trabajo se presentan los ciclos termodinámicos de refrigeración más comunes para obtener bajas temperaturas, los cuales son: Refrigeración por Compresión Mecánica (vapor); Refrigeración por Gas (aire); la Bomba de Calor y Refrigeración por Absorción. Los tres primeros se caracterizan por que la energía requerida para lograr el efecto de enfriamiento es mecánica, a través de un compresor. En los sistemas de absorción, la energía utilizada para lograr dicho efecto proviene de una fuente térmica.

Asimismo, se desarrolla una metodología para dimensionar un sistema de refrigeración por compresión de vapor. Mediante un balance de energía, se determinan las ganancias de calor involucradas en el sistema para definir la capacidad de enfriamiento del equipo.

1.2 DEFINICION Y CLASIFICACION.

La refrigeración es la rama de la ciencia que trata el proceso de reducir y mantener más baja que su alrededor, la temperatura de un espacio dado o de un producto o bien como la extracción de calor de un lugar en el que es indeseable y su transferencia a otro lugar en el que no lo es. El fluido de trabajo (refrigerante) que se utiliza, puede permanecer en una sola fase (refrigeración por gas) o puede presentarse en dos fases (refrigeración por compresión de vapor). Ya que el calor absorbido se transfiere a otro cuerpo, es evidente que el proceso de refrigeración es opuesto al de calefacción, y se puede llevar a cabo mediante el uso de hielo, nieve, agua fría, aire frío, por medios mecánicos o por medios térmicos.

De acuerdo con la temperatura, cercana a los 0C o menor, la refrigeración se divide en:

Enfriamiento.- Este grupo trabaja con temperaturas que van desde +15C hasta 0C aproximadamente.

No hay cambio de estado en los fluidos que componen las sustancias por enfriar. El enfriamiento se utiliza básicamente para disminuir la temperatura eliminando calor sensible, y en algunos casos, para resaltar algunas características de gusto en algunos productos.

Tiene una aplicación muy amplia en el área comercial e industrial. Por ejemplo, enfriadores de bebidas carbonatadas, algunos vinos, sistemas industriales de enfriamiento, acondicionamiento de aire, etc.

Refrigeración.- Abarca desde 0C hasta -17C aproximadamente. Incluye cambios de estado en los fluidos manejados, y se usa principalmente para mantener al producto conservado en algunas de sus características, por tiempos que van hasta 5 o 6 semanas.

Tiene una gran aplicación en las áreas domésticas, comerciales e industriales. Por ejemplo, refrigeradores domésticos, cámaras comerciales de refrigeración, vitrinas comerciales, etc.

Congelación.- Se maneja desde -18C hasta -40C. Hay cambio total de estado en casi todos los líquidos manejados y se utiliza para conservar los productos por períodos muy largos.

Un buen sistema de congelación conserva los productos en buenas condiciones por lo menos durante mas de un año. Tiene una amplia aplicación en las áreas comerciales e industriales. Asimismo, esta creciendo fuertemente en las áreas domésticas y de investigación.

Criogénicos.- Este grupo trabaja en temperaturas menores a -40 C . Se utiliza mucho en investigación o para estudios muy especiales de baja temperatura. Por ejemplo, procesos industriales para pruebas de productos, conservaciones o manejo de animales muy delicados, etc.

Aún cuando no existe una clasificación oficial definida, la anterior en sus nombres y en sus límites es la más aceptada.

En forma genérica se utiliza la palabra "refrigeración" para designar cualquiera de los cuatro grupos ya mencionados. Sin embargo, siempre será conveniente usar el adecuado, así como el nivel de temperatura en el que opera. Independientemente de la clasificación anterior, en todo proceso de refrigeración, se tienen dos actividades importantes: 1) la de lograr la temperatura deseada; 2) la de conservarla.

De esta manera, a la primera actividad se le puede designar como un proceso de enfriamiento, de refrigeración, etc., y a la segunda como un proceso de conservación en enfriamiento, en refrigeración, etc.

1.3 CICLOS DE REFRIGERACION.

Para entender los cambios termodinámicos que le suceden, a un refrigerante cuando se involucra en un sistema de refrigeración, es necesario analizar un ciclo.

Un ciclo representa los procesos termodinámicos a los que se somete un refrigerante, es decir, un ciclo es la serie de procesos en los cuales el fluido de trabajo cambia sus propiedades físico térmicas después de sufrir una serie de transformaciones y vuelve a recuperar su estado inicial. Por lo tanto, el refrigerante queda en condiciones de repetir similarmente los procesos anteriores.

Los ciclos pueden ser teóricos o reales. Para entenderlos es necesario analizar primero los teóricos y posteriormente los reales. De forma genérica, los ciclos de refrigeración se pueden clasificar de acuerdo a la siguiente tabla 1.1:

--------------------------------------------------------------------------------------------CICLO FLUIDO DE TRABAJO TIPOS--------------------------------------------------------------------------------------------Teórico Cualquiera - Carnot

- Otros--------------------------------------------------------------------------------------------

- De compresión (Rankine)

Real Fluido Condensable - De absorción- De adsorción

--------------------------------------------------------------------------------------------Real Gas no Condensable - De compresión

(Joule-Brayton)--------------------------------------------------------------------------------------------

TABLA 1.1 Clasificación general de los ciclos de refrigeración. [4]

Nota: se hace la observación que en la tabla anterior los ciclos de Carnot, Rankine y Joule-Brayton no son ciclos de potencia directos, sino ciclos inversos aplicados en refrigeración.

1.4 CICLO DE CARNOT INVERTIDO.

Un ciclo de potencia (directo) es la serie de procesos termodinámicos que conducen a la producción de trabajo útil a partir de una fuente de calor. Este ciclo, establece los criterios de operación de los ciclos de potencia. Invirtiendo los procesos del ciclo, es posible teóricamente extraer calor de una región de menor temperatura y enviarlo a otra de mayor temperatura suministrando trabajo mecánico. Esta extracción de calor mediante el uso de energía mecánica se denomina "Efecto Refrigerante". El estudio del Ciclo de Carnot Invertido proporciona los criterios de operación para analizar los ciclos de refrigeración.

El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos y dos isoentrópicos. En el ciclo directo, el objetivo principal es la producción de trabajo útil. En el diagrama de flujo de la figura 1.1 se muestra la disposición de los elementos que conforman el ciclo directo de Carnot, y en la figura 1.2 se muestra el diagrama T-s del mismo.

Para el ciclo de Carnot invertido, el diagrama de flujo de energía se presenta en la figura 1.3, y el diagrama T-s se muestra en la figura 1.4. En este caso el trabajo de la máquina toma el calor del sumidero a temperatura inferior (Ti) y lo rechaza a la fuente a temperatura superior (Ts).

El objetivo de un ciclo de refrigeración es extraer la mayor cantidad de calor del sumidero con el mínimo suministro de energía al sistema. Esta forma de operación se denomina de máxima eficiencia.

La energía rechazada a la temperatura superior Ts es igual al trabajo que entra más el calor extraído de la región con temperatura con temperatura inferior T i. Asimismo, una máquina reversible que opera entre dos temperaturas es más eficiente. Los sistemas reales, presentan limitaciones impuestas, ya que la temperatura superior esta limitada por la resistencia de los materiales disponibles, y la inferior por las condiciones del medio ambiente. [2]

Por lo anterior, la energía rechazada por el ciclo invertido puede utilizarse en una máquina reversible que opere de manera directa (fig. 1.1). El trabajo del ciclo directo será igual al requerido por el ciclo invertido, y la energía rechazada por el ciclo de la máquina directa será igual a la extraída por el ciclo invertido.

Así, en el ciclo directo de potencia, la relación de la cantidad determinada de trabajo a partir de un suministro determinado de calor se llama "eficiencia del ciclo de potencia". Por lo que se obtiene la máxima eficiencia (de Carnot) al incrementar la diferencia entre las temperaturas superior e inferior del ciclo.

Figura 1.1 Ciclo directo de Carnot.

QS

QR

1

2

3

4

P

V

T

S

1 4

32 QS

Salida de trabajo

Ts Fuente de calor

Qsuministrado

Qrechazado

Ti Sumidero térmico

Máquina

Figura 1.2 Diagrama T -s del ciclo directo de Carnot.

Ciclo de gas Diagrama P-V

Ciclo de gas Diagrama T-S

Ciclo de vapor Diagrama T-S

T

S

14

32

Figura 1.3 Ciclo de Carnot Invertido.

COP

EFECTO REFRIGERANTE

ENTRADA DE TRABAJO

Q

W

T

T TEXTRAIDO

S

i

s i

Figura 1.4 Ciclo de Carnot Invertido (diagrama T-s).

Ts REGIÓN CALIENTE

QRECHAZADO

ENTRADA DE TRABAJO

MAQUINA

QEXTRAIDO

(EFECTO REFRIGERANTE)

Ti REGIÓN FRÍA

ÁREA= ENERGÍA TOTAL RECHAZADA

s

ENERGÍA NETA DE ENTRADA

T

3 2

14

Ti

Ts

QEXTRAIDO

A B

La eficiencia termodinámica del ciclo directo de Carnot se determina con la siguiente expresión:

En el ciclo de Carnot invertido al suministrar trabajo se extrae calor de la fuente de baja temperatura. Por lo que la relación del efecto refrigerante con respecto a la entrada de trabajo se conoce como "Coeficiente de Operación" (COP), el cual, en un ciclo ideal es mayor que la unidad. Así,

Por lo anterior, se tiene que entre más cercanos sean los límites de Ts y Ti, el COP será mayor. Por ejemplo, si Ts = 40C (313 K) y Ti = 0C (273 K) el COP = 6.82, pero si Ti = -30C (243 K) el COP = 3.47.

El principio de Carnot aplicado a cualquier refrigerador, establece: "El máximo COP de cualquier sistema de refrigeración se presenta cuando existe la mínima diferencia entre la temperatura superior (condensación) y la temperatura inferior (evaporación)". En la mayoría de los casos el sumidero de calor es la atmósfera, el agua o algún otro cuerpo de los alrededores.

ci

s

s i

s

= 1- T

T= T - T

T

COP =EFECTO DE REFRIGERACION

ENTRADA DE TRABAJO

COP = T

T - T=

1

(T / T )-1i

s i s i