1 Reporte de Expopsiciontermodinamicaequipo5

8/16/2019 1 Reporte de Expopsiciontermodinamicaequipo5

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UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARMENING. PETROLERA

FACULTAD DE QUÍMICA

“ Reporte de exposición ; Equipo 5”

MATERIA: Termodinámica.

DOCENTE: Dra. Angélica Gabriela Vital Ocampo.

INTEGRANTES:

Guadalupe Itandewi Sol Guzmán.

Rudy Aron Velázquez Velázquez. Karen Elena Ferreiro Andrade.

Cristian Alfonso Cambrano Morales.

Miguel Francisco Ramírez López.

Juan H. Pérez Cajún.

Saraisis Heredia Gutiérrez.

Ciudad del Carmen, Camp; Mayo 6, 2016.


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CONTENIDO.

Ciclos termodinámicos

- Introducción

- Ciclos termodinámicos

- Ciclo de Carnot

- Ciclo Rankine

- Ciclo de fuerza

- Ciclos de refrigeración y bomba de calor

- Ciclo de refrigeración

- Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema derefrigeración.

- Conclusión

- Referencias


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INTRODUCCIÓN.

Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del

primer y segundo principios de la termodinámica. Resulta útil tratar los procesos

termodinámicos basándose en ciclos, teniendo en cuenta que son procesos que devuelven

un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las

variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo

completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de

dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo

total neto realizado por el sistema.

Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se

convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que

concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores

térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde

parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite

superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia

límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.


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CICLOS TERMODINÁMICOS.

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que

un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado

inicial. Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades

termodinámicas del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un

estado inicial a un estado final.

Al realizar un ciclo completo, la variación de la energía interna debe ser nula por lo tanto el

calor transferido por el sistema debe de ser igual al trabajo realizado por el sistema (como

dicta la primera ley de la termodinámica). Lo importante es que gracias a esta propiedad se

puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorífico. Si el rendimiento fuese perfecto todo el calor que se suministra se podría transformar en calor, pero esto no es así

ya que hay pérdidas de calor.

CICLO DE CARNOT.

El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de motor térmico más eficiente

permitido por las leyes físicas. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que

no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la

eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar.

Este ciclo es una idealización ya que está constituido por transformaciones reversibles: el

intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los focos se produce a través de

isotermas y las variaciones de temperatura de forma adiabática, para que no haya pérdidasde calor.


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Se define el ciclo como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que

consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la

figura.

F igura 1

Máquina de Carnot.

Una máquina térmica que utilice el ciclo de Carnot se denomina máquina de Carnot y al ser

reversible puede funcionar como motor (máquina térmica motora) produciendo trabajo o

como frigorífico (máquina térmica generadora) si realiza el ciclo en sentido inverso de

forma que al aportar trabajo al sistema éste pueda transferir calor del foco frío al caliente.


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F igura 2. La representación gráfica de Máquina de Carnot en un diagrama p-V es el

siguiente:

Expansión isoterma (1-2)

Expansión adiabática (2-3)

Compresión isoterma (3-4)

Compresión adiabática (4-1)

Etapas de la máquina de Carnot.

1. Expa nsión isoterma (Transformación 1→2)El gas absorbe una cantidad de calor 1 manteniéndose a la temperatura del foco

caliente 1.

En la situación inicial el gas se encuentra a la máxima presión, mínimo volumen y la

máxima temperatura dada por el foco caliente. En contacto con el foco, el gas se

expande (disminuyendo la presión y aumentando el volumen) de forma isoterma

(temperatura constante) por lo que se absorbe calor de la fuente.


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2. Expansión adiabática ( Transformación 2→3)El gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío 2.

Se aísla térmicamente el recipiente que contiene el gas (por ello no existe transferencia

de calor con el exterior) así que continúa expandiéndose pero en esta etapa se consigue

además que el gas disminuya su temperatura.

3. Compresión isoterma ( Transformación 3→4)El gas cede el calor 2 al foco frío, sin variar de temperatura.

En esta etapa se comprime el gas (aumentando presión y disminuyendo el volumen que

éste ocupa) manteniendo constante la temperatura. Dada esta situación el gas cede calor

al foco frío.

.

4. Compresión adiabática ( Transformación 4→ 1)El gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente 1, cerrando el ciclo.

Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su

temperatura hasta el estado inicial.

Los términos de trabajo y calor son :

→ = → =

Ec.1

→ = − ( ) = ( ) Ec.2

→ = Ec.3

→ = = = → Ec.4


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→ = − ( ) = ( ) Ec.5

→ = Ec.6

= → = Ec.7

=

= → = Ec.8

= ó

= → → Ec.9

= → → → → = Ec.10

Los cambios de energía y entropía son :

→ = ( ) = = → Ec.11

→ = ( ) = → Ec.12

→ = ( ) = → Ec.13

→ =

= Ec.14

→ = → = Ec.15

→ = = Ec.16

El rendimiento es:

= → →

→=


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= −

=

Ec.17

La figura siguiente muestra el diagrama p-V del ciclo de Carnot, y en él es posible observar

que el trabajo neto es la suma de cuatro términos separados de trabajo. Las flechas en las

líneas de proceso de los estados indican que la dirección del ciclo es “de acuerdo a lasmanecillas del reloj” y que el trabajo neto será el área sombreada entre las cuatro líneas d

proceso. Es posible representar esto de la forma siguiente:

= ∑− ∑− ∑− ∑− Ec.18

F igura 3. Diagrama p-V del ciclo de Carnot (gas perfecto).

El ciclo de Carnot definido por los cuatro procesos individuales representa un caso especial,en el que la maquina funciona entre dos regiones de temperatura, una a alta temperatura y

una a baja temperatura. En la descripción del ciclo de Carnot para la máquina de Carnot, se

requiere que la fuente de calor este a la temperatura constante TH, y que el deposito este a

una temperatura constante TL diferente. También es necesario que solo haya dos

transferencias de calor en un ciclo, QH, de TH y QL de TL. Sadi Carnot sugirió que la


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relación de los dos calores, QH/QL, es igual a la razón de las temperaturas

correspondientes, TH/TL; esto es

− = Ec.19

Donde se le asigna a un signo negativo (calor rechazado), porque tendría un valor

negativo asignado con respecto a la máquina de Carnot. Al incluir al signo negativo en la

ecuación anterior tenemos un valor positivo de la relación de temperatura y de la relación

de calores. La restricción de la ecuación (19) es que solo se aplica a maquinas térmicas

reversibles e ideales, que funcionan entre dos regiones de temperaturas constantes, es decir,

dos máquinas de Carnot. Ahora, si reordena la ecuación (19) para que sea ⁄ = ⁄

o bien

= Ec.20

CICLO RANKINE.

Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo,

constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de

potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot

que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo

Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico

escocés William John Macquorn Rankine.

Proceso.

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que

tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que


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alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de

sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la

quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para

luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje

(este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la

electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se

introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido

(habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del

mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión

del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de

esta manera el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por

ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre

etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales

termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-

parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un

sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así

como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central

térmica de vapor convencional.

Diagrama T-S

El diagrama T-S de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos

isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según

procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el

condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados

principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1:


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vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido

saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo

ideal (procesos internamente reversibles):

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluidode trabajo en la turbina desde la presión de la

caldera hasta la presión del condensador. Se

realiza en una turbina de vapor y se genera

potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión

constante desde el fluido de trabajo hacia el

circuito de refrigeración, de forma que el fluidode trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se

realiza en un condensador (intercambiador de

calor), idealmente sin pérdidas de carga.

Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante

una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluidode trabajo hasta el valor de presión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la

caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura

de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene

vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la

turbina para generar la potencia del

ciclo (la potencia neta del ciclo se

obtiene realmente descontando la

consumida por la bomba, pero esta

suele ser muy pequeña en

comparación y suele despreciarse).

F igura 4. El diagrama T -S deun ciclo de Rankine con vaporde alta presión sobrecalentado

https://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttps://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttps://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura


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Tipos de Ciclo de Rankine

- Ciclo de Rankine con recalentamiento

El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no sala mente puede lograrse un

ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de Rankine, sino también una

reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en suforma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente

sobrecalentado, se expanda primero en una turbina de alta presión hasta una presión a la

cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un

proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador (generalmente un haz de

tubos en el interior de horno de la caldera) y finalmente expandirlo hasta la presión del

condensador en una turbina de baja presión.

Figura 5. Esquema de una instalacióntérmica de vapor con recalentador .


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F igura 6

- Ciclo de Rankine regenerativo

En un ciclo de Rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es

enviado a la caldera donde se produce un calentamiento (del agua) altamente irreversible.

Precisamente la eficiencia del ciclo de Rankine es menor que la del de Carnot ,

fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si

el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la

caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de este.

F igura 7. El ciclo de potencia básico de Rakine


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Variables

o o Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo).

o o Caudal másico (masa por unidad de tiempo).

o o Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por

unidad de tiempo).

o

o Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia

generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la

caldera, adimensional).

o , ,

,o Entalpías específicas de los estados principales del ciclo.

Ecuaciones principales.

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del balance

de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia

termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la

potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.

1. ……….Ec.21 2. …….Ec.22

https://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttps://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmico


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3. ……….Ec.23 4. …….Ec .24

5. ….....Ec.25

CICLOS DE FUERZA.

Los ciclos son procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie

de fases, de manera que todas las variables termodinámicas de interés vuelven a tomar sus

valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puedecambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto

transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.


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F igura 8

> : calor absorbido del foco caliente

> : trabajo producido

< : calor cedido al foco frío

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello

utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de

transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de

forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor

(normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.

Absorbe una cantidad de calor 1 de un foco caliente a una temperatura 1 Produce una cantidad de trabajo W

Cede una cantidad de calor 2 a un foco frío a una temperatura 2

Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando

el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar:


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Ecuación 26

En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las

máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades

se mide en Watios (J/s).

Ecuación 27

F igura 9. Esquema de máquina térmica.

Rendimiento (η)


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El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor

absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en

cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor

que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno:

Ecuación28

Consideración.

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por

cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.

Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:

Ecuación 29

Eficiencia térmica.

Eficiencia es un término utilizado con frecuencia para describir la forma en que funciona

una maquina térmica, u otro dispositivo cíclico. Para una maquina térmica, que convierte

calor en trabajo, la entrada se puede identificar con la entrada de calor, o el calor agregado.La salida será el trabajo neto, de modo que la eficiencia térmica de una maquina térmica es

= Ecuación 30


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Se usa el adjetivo térmica para indicar que la eficiencia de una maquina térmica es una

medida de la conversión de energía térmica (como calor) en energía mecánica (como

trabajo).

= + Ecuación 31

O bien

= Ecuación 32

Para la maquina térmica de Carnot, la relación de calor que sale al calor que entra está

definida por

= Ecuación 33

CICLOS DE REFRIGERACION Y BOMBA DE CALOR.

La máquina térmica reversible, o dispositivo cíclico, es un sistema imaginario que nos permite estudiar, con más facilidad, el funcionamiento de las maquinas terminas reales. Si

una maquina térmica trabaja en reversa, el trabajo neto se vuelve entrada al dispositivo, elcalor agregado viene de una región de baja temperatura, y el calor se rechaza a una regiónde alta temperatura.

Para la bomba de calor, la primera ley se enuncia como sigue:

=


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Ecuación 40

O bien:

=

Ecuación 41

En esta ecuación debemos observar que el termino siempre tendrá un valor negativo.

También, el trabajo tendrá un valor negativo, porque entra al sistema o dispositivo cíclico.

Para describir el funcionamiento de los dispositivos de bomba de calor, utilizamos elcoeficiente de desempeño (COP); este coeficiente se usa en lugar de la eficiencia térmica,ya que el trabajo no es una salida de las bombas térmicas, sino una entrada o consumo. El

COP se define como:

= Ecuación 42

y podemos ver que es la inversa, o el reciproco, de la eficiencia térmica.

Si el dispositivo funciona como refrigerador o algún otro aparato parecido que se necesite para enfriar una región, se usa el coeficiente de refrigeración (COR), que se define como:

= − Ecuación 43

Si usamos la ecuación

= Ecuación 44

Y sustituimos para los términos en la ecuación anterior, estaecuación se transforma:

= − − = − Ecuación 45

Podemos ver que COP es siempre mayor que el COR, y que la diferencia exactamenteentre ellos es 1.


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Si suponemos que una bomba de calor o refrigerador sigue el ciclo de Carnot invertido, sellamaría una bomba de calor de Carnot, o refrigerador de Carnot. En este caso, lasrelaciones de los dos términos de calor se relacionarían con las dos temperaturas de lasregiones de temperatura baja y alta. Podemos demostrar, entonces, que para la bombatérmica de Carnot, el COP es:

= − Ecuación 46

Y para el refrigerador de Carnot, el COR es:

= − Ecuación 47

Los cambios de entropía, para las maquinas térmicas de Carnot, tienen igual calidez paralos ciclos de bomba de calor; esto es, el cambio de entropía que hay en el proceso de

rechazo de calor es:

= Ecuación 48

Y en el proceso de adición de calor, es:

= Ecuación 49

El termino tendrá un valor negativo, y será positivo.

Los ciclos de Carnot y Rankine son ejemplos de ciclos de fuerza.

CICLOS DE REFRIGERACION.


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Aspectos fundamentales de los ciclos de refrigeración

De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja

temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo

(principio de la segunda ley de la termodinámica), 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 cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos

de refrigeración se llaman refrigerantes. En la figura 2-A, se muestra de manera

esquemática un refrigerador. En este caso QSum es la magnitud del calor extraído 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 analizó, 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 2-A y 2-B.

El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los términos de

coeficiente de operación (COP), el cual se define como:

Ecuación 50

Ecuación 51


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Ecuación 51

Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calor pueden ser

mayores a uno. Debido a que:

Para valores fijos de QL y QH. Esta relación implica que COP BC > 1 puesto que COP R es

una cantidad positiva, es decir, una bomba de calor funcionará en el peor de los casos,

como un calentador de resistencia. La capacidad de enfriamiento de un sistema de

refrigeración (la rapidez del calor extraído del espacio refrigerado) con frecuencia se

expresa en toneladas de refrigeración equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tienesu base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de

agua liquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas.

Figur a 10. Esquema de sistema derefrigeración.

Figur a 11. Esquema de sistema debomba de calor.


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denominados compuestos clofluorocarbonados (CFC). Los más importantes se designan

R-11, R-12, R-22 y R-502 (mezcla del R-22 y R115). Al final de la década de los

ochenta se tomaron medidas internacionales para restringir el uso de ciertos CFC, ya

que se encontró que reduce la capa protectora del ozono de la atmósfera y contribuye al

efecto invernadero. Así en la década de los noventa se inicia un periodo en el que se

investiga nuevos refrigerantes, como los compuestos hidrofluorocarbonados (HFC). El

problema radica en el hecho de la reducción en el COP cuando simplemente se hace el

cambio del refrigerante al sistema, sin modificaciones para adaptarlo. Cuando se

selecciona un nuevo refrigerante generalmente es necesario rediseñar el compresor.

Los refrigerantes fluorados más comunes son:

R407C y R410, es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor.

R 134a normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de

entre otras cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en

circulación es relativamente pequeño.

R 404A, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se

necesitan más bajas temperaturas. Además de estos refrigerantes fluorados, hay

una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417, R508A, etc. Amoniaco NH3 El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de

refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor

característico incluso en pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es

explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28.

Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de

amoniaco. El más común utilizado en la refrigeración y en los textos de

termodinámica en la actualidad es el R-134a. al no ser agresivo al medio

ambiente.


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F igura 12

Ciclos de refrigeración.

- 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 dirección

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 práctica no es utilizado por razones que mas

adelante se expondrán, sirve de referencia para evaluar el desempeño de un dispositivo

real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura.


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Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un

refrigerante, como el que se muestra en la figura (2.1-a)

1-2 Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría TL, de forma

isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase.

2-3 Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la temperaturamáxima TH.

3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a TH, de forma isoterma, donde

el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido).

4-1 Se expande el refrigerante isoentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima TL.

Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot como modelo de dispositivo

práctico radican en los procesos de compresión y expansión. En general debe evitarse

comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas liquidas

puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor). La expansión con una

turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restricción a las

Figura 13. Ciclo de Carnotinverso.

Figura 14. Diagrama Ts deCarnot.


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condiciones de saturación limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para

evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la práctica al

ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Coeficiente de Desempeño de Carnot.

El coeficiente de desempeño de los refrigeradores y las bombas de calor se expresan en

términos de la temperatura: T

Ecuación 50

Ecuación 51

Ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot

basados en las siguientes consideraciones:

En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor.

Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más

económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar).

La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación.

Muchos aspectos imprácticos 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 válvula de expansión o tubo capilar.


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Proceso 1-2: Compresión isotrópica en un compresor.

Proceso 2-3: Rechazo de calor a presión constante en el condensador.

Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.

Proceso 4-1: Absorción de calor a presión constante en el evaporador.

Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de

masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:

Ecuación 52

F igura 15. Esquema de un sistema

de refrigeración por compresión deFigura16. Diagrama temperatura-

entropía


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La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada

así:

Ecuación 53

En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que

sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está

dado por:

Ecuación 54

Ciclo real de refrigeración por comprensión de vapor.

Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura 2.3 por compresión de vapor,

difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades

que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la

fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde

los alrededores.


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Las Irreversibilidades en las corrientes de fluidos que atraviesan al compresor conducen a

un aumento de la temperatura del fluido durante el proceso adiabático. Este efecto se

acompaña también de un aumento en la temperatura final respecto a la que se alcanzaría en

el caso ideal.

Para los casos Reales es mejor trabajar en las siguientes condiciones:

El refrigerante es sobrecalentado antes de entrar al compresor de forma de asegurar

vapor al compresor.

El refrigerante condensado es subenfriado, por lo difícil de trabajar en la condición

de saturación además de reducir el efecto refrigerante.

El compresor no es isentrópico por lo que puede haber un aumento o disminución

de entropía.

El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en

consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos

Figura 17. Ciclo de refrigeración por

compresión de vapor.

F igura 18. Diagrama Ts real.


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friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede

aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e

irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del

compresor planteado como:

Ecuación 55

Influencia de las irreversibilidades en el evaporador.

En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra alcompresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado

del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera

de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar

evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que

conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión 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 refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como

liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se

produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan alcompresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con

precisión la regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es

indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su

totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el

subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de


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Se utiliza cuando se requiere temperaturas relativamente bajas y un gran diferencial

de temperatura. Esto a su vez implica manejar una gran diferencial de presión, que

en un compresor reciprocante, afecta negativamente el rendimiento del mismo.

El calor que desprende el condensador del ciclo inferior es igual al calor que

absorbe el calor del ciclo superior.

El refrigerante del ciclo inferior y superior, pueden ser distintos, ya que nunca se

mezclan.

Consideraciones para el análisis de los sistemas en cascada :

Los flujos másicos de los refrigerantes en los diferentes ciclos, generalmente tienen

cantidades distintas, independientemente del tipo de refrigerantes.

El flujo másico está determinado por la capacidad de refrigeración necesaria en elevaporador del ciclo B.

El flujo de calor transferido por el condensador B debe ser igual al flujo de calor

transferido hacia el evaporador del ciclo A, cuando el intercambiador de calor

global está bien aislado.

Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial en régimen estacionario y

considerando el intercambiador de calor (condensador-evaporador) adiabático, el balance

de energía se plantea:

Ecuación 56

Estableciendo la analogía con lo planteado en las gráficas se tiene:

Ecuación 57

Sustituyendo los términos correspondientes se tiene:


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Ecuación 58

El rendimiento de estos dispositivos, en cascada se plantea como:

Ecuación 59

Sistema de refrigeración por comprensión de vapor múltiples etapas.

Para sistemas de compresión de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del

compresor, se realizan modificaciones que consiste en incluir la compresión multietapa con

refrigeración intermedia. En estos ciclos de refrigeración intermedia el sumidero de energía

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.


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El sistema de Refrigeración de Múltiples Etapas puede verse como un sistema de

Refrigeración en Cascada, en donde se sustituye el intercambiador entre las etapas

por una cámara de mezcla o de evaporación que mejora la transferencia de calor,entre las 2 etapas.

Necesariamente se debe usar un mismo refrigerante en ambas etapas.

El proceso de compresión se asemeja a una compresión de 2 etapas con

interenfriamiento. Lo cual disminuye el requerimiento de trabajo.

La fracción de vapor que se forma en la cámara de evaporización instantánea, es la calidad

X del fluido en el estado 6 del diagrama de máquinas tal como se observa en la figura 2.5-a,

y es la fracción de flujo que pasa por la cámara de mezcla proveniente de la cámara deevaporación instantánea. La fracción de líquido formado es 1-X, que corresponde a la

fracción del flujo total que pasa por el evaporador. Aplicando el balance de energía en la

cámara de mezcla en condiciones adiabáticas, para determinar la entalpía, a la salida de la

cámara se tiene:

Figura 21. Diagrama de

máquina del sistema multietapa.

F igura 22. Diagrama Ts.


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Ecuación 60

El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es:

Ecuación 61

El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador

es la suma de las dos (2) etapas, es decir:

Ecuación 62

El COP del ciclo de compresión de vapor de dos etapas, con refrigeración intermedia

regenerativo, se sigue definiendo como:

Ecuación 63


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