Ciclos de Máquinas Frigoríficas

Se denominan ciclos frigoríficos a los que se describen con el objeto de transferir calor de una fuente o un cuerpo, a menor temperatura, a otra a mayor temperatura.

Una instalación en que se describe un ciclo frigorífico puede tener dos finalidades:

*Si la finalidad de la instalación es mantener a baja temperatura la fuente fría se la denomina máquina frigorífica.

*Si el equipo tiene por finalidad la entrega de calor a una fuente o lugar, o sea un efecto de calefacción, se la denomina bomba de calor.

GENERALIDADES

IEM 2

IEM 3

Ciclos con dos fuentes

21 TT

Q2

Q1

WC

T1

T2

CWQQ 21

21

22

QQQ

WQEC

f

MF

1 fc EE

21

11

QQQ

WQEC

c

Esquema de funcionamiento de la máquina frigorífica o bomba de calor

Primer Principio

Coeficiente de Efecto Frigorífico

Coeficiente de Efecto Calorífico

21

21

21

2

21

2

21

1

QQQQ

QQQ

QQWQ

QQQ C

Existen dos valores indicativos de la calidad de la instalación:

IEM 4

Ciclo reversible con dos fuentes

STQ 22

Q2

Q1

WC

T1

T2

STQ 11

21

2

21

2

TTT

QQQE f

MF

T

sDS

21

1

21

1

TTT

QQQEc

Los máximos valores de estos coeficientes corresponden al caso en que el ciclo descripto de la instalación sea reversible.

IEM 5

Ejemplo

KTyKT 273;303 21

1,930273 f 1,10

30303 C

Dadas las temperaturas entre las que se emplean estos equipos, para ambos coeficientes resultarán valores mayores que la unidad y es por esta razón que se los denomina coeficientes, en lugar de rendimientos.

Un coeficiente de efecto calorífico de valor 10 significa que la energía aportada por una bomba de calor al elemento a calefaccionar es 10 veces la energía consumida por el equipo.

IEM 6

Ciclo Frigoríficos A Compresor De VaporCiclo de Carnot

1-2: el fluido se vaporiza. Se requiere un evaporador. En este proceso el fluido absorbe el calor Q2.2-3: es una compresión adiabática. El fluido aumenta su temperatura porque aumenta su presión. Se requiere un compresor al que habrá que suministrarle un trabajo.3-4: proceso de condensación. El fluido pasa de vapor saturado en 3 a líquido saturado en 2. Se requiere un condensador, el fluido entregará Q1 a la temperatura T1.4-1: expansión adiabática reversible, al disminuir la presión el fluido se evapora parcialmente y disminuye su temperatura. Se coloca una V.R.

IEM 7

Ciclo frigorífico a compresor en régimen húmedo

1

21

14

24

4 22gzhgzh

14 hh

122 hhQ

23 hhWC 21

2

23

122

TTT

hhhh

WQ

Cf

Si consideramos la válvula reductora adiabática, no hay intercambio de calor ni trabajo:

La superficie rayada representa la disminución del efecto frigorífico.

Este ciclo tiene el inconveniente que se comprime vapor húmedo pudiendo traer inconvenientes mecánicos.

IEM 8

Ciclo frigorífico a compresor en régimen seco

122 hhQ C

f WQ2

El área rayada representa la cantidad adicional de calor que absorbe cada unidad de masa.

El coeficiente de efecto frigorífico será menor que en el ciclo anterior.

IEM 9

Animación de la Instalación

IEM 10

Para mejorar el coeficiente de efecto frigorífico existen dos posibilidades:

A) Aumentar el efecto frigorífico Q2, con el mismo consumo de trabajo en el compresor Wc

B) Disminuir el trabajo requerido Wc, manteniendo el mismo valor del efecto frigorífico Q2. (compresión en etapas)

En el primer caso se lograría, si en el condensador se produjera un subenfriamiento de líquido, es decir, que el líquido se refrigerara hasta una temperatura inferior a la de saturación correspondiente a la presión que reina en el condensador.

IEM 11

Ciclos frigoríficos con compresor en dos etapas

45

23

122

hhWhhWhhQ

A

B

BAf WW

Q

2

Se mejorará el coeficiente de efecto frigorífico del ciclo, si subdividimos la compresión en dos etapas con un subenfriamiento intermedio.

El área rayada representa la disminución de trabajo por unidad de masa de fluido que circula por la instalación.

La instalación requerirá disponer de algún elemento para la refrigeración intermedia entre etapas de compresión. Se puede modificar de modo de eliminar esa necesidad y además lograr un mayor efecto frigorífico.

IEM 12

122 hhq 2

22 qQG

21

17 GG

Gx

27

71 1

GxxG

4213281 hGGhGhG

Ciclos frigoríficos con compresor en dos etapas con enfriamiento por reinyección de fluido

IEM 13

21

32814 GG

hGhGh

)( 232 hhGWB

))(( 4521 hhGGWA

ABf WW

Q

2

IEM 14

Ciclo frigorífico con doble evaporador y doble compresión

563 hhq 3

33 qQG

321

12 GGG

Gx

2

3221 1

)(xGGxG

342 hhq 2

22 qQG

Este ciclo se utilizará en instalaciones en que se requieren dos temperaturas frías diferentes, por ejemplo si se desea refrigerar cámaras de conservación de frutas y en la misma planta fabricar hielo.

IEM 15

)( 673 hhGWB

))(( 89321 hhGGGWA

BAf WW

QQ

32

832142173 )( hGGGhGGhG

321

421738

)(GGGhGGhGh

IEM 16

Ciclo con tres fuentesEsquema de una instalación de máquina frigorífica o bomba de calor que opera con tres fuentes de calor

0

2

QQE f

0

11 ```QQQEc

T1

Q``1

MF

Q2

WC

T2

Q’1

Q0WC

T0

MT

Esquema que corresponde a una heladera a gas o querosene.

La fuente a mayor temperatura es el lugar en que se quema el combustible.La fuente a temperatura T1 es la atmósfera del lugar.La fuente a la temperatura T2 es el interior del gabinete.

Q2: efecto útilQ0: energía consumida por el equipo para realizarlo

IEM17

Ciclo reversible con tres fuentes

0

10

21

2

TTT

TTTE f

T1

T2

110221 )()( STTSTT

10

22

0

2

.

.STST

QQE f

MF

Q2

Q``1

WC

T

SDS1

Q`1

Q0

WCT0

DS2

)()(

21

10

1

2

TTTT

SS

El primer término del 2º miembro es el coeficiente de efecto frigorífico del ciclo reversible y el 2º el rendimiento de la máquina térmica reversible.Este tipo de ciclo se utiliza cuando no se dispone de

energía eléctrica

La condición que deben cumplir ambos ciclos es que los trabajos sean iguales en valor absoluto (las áreas de los rectángulos sean iguales).

IEM 18

Ciclo Frigorífico a Gas

Es un ciclo que emplea como fluido intermediario un gas en lugar de un vapor condensable, que generalmente es aire, y que se denomina ciclo Bryton inverso.

La seguridad del empleo del aire como fluido frigorígeno, así como el bajo peso del equipo refrigerador, lo hacen adecuado en el acondicionamiento de aire de aeronaves.

IEM 19

Esquema de Instalación en Aeronaves

IEM 20

RefrigerantesCaracterísticas:• Pe>1Bar Pc<20Bar• Entalpía de vaporización alta• No toxico• Estable químicamente• No corrosivo• Bajo Coste• No inflamable• No dañar el medio ambiente

Fluidos:• Amoniaco, NH3• Clorofluorocarbonados (CFC)• R-11, R-12, R-22• Hidrofluorocarbonados (HFC)• R134a, R 407A, R 404 A, R 410A

IEM 21

BIBLIOGRAFÍA

Termodinámica Técnica, C. A. García, 1987, Editorial Alsina.

Termodinámica, Cengel-Boles, 2007, Editorial Mc Graw Hill.