Ciclo de Refrigeración Por Compresión

TERMODINMICA APLICADACICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN

Germn MoncayoDaniel NaranjoJuan Carlos QuijijeStalin SnchezAndrs Valdz

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporIntroduccinEl campo de la refrigeracin incluye los refrigeradores domsticos, la congelacin de carnes, frutas y legumbres, enfriamento de locales, fabricacin de hielo, procesos industriales y plantas criognicas, por mencionar slo algunas. Para lograr esto, lo que se hace es un proceso mediante el cual un dispositivo retira energa de un depsito de temperatura baja para llevarlo a un depsito de temperatura alta, sin embargo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica, esto es imposible de lograr a menos que se utilice trabajo.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEl ter etlico fue el primer refrigerante utilizado para el comercio de sistemas por compresin de vapor en 1850, le siguieron otros como el amoniaco, dixido de carbono, cloruro metlico, butano, etano y gasolina, entre otros.Los problemas presentados como consecuencia de las fugas de los primeros refrigerantes que causaron lesionados y muertos, en la dcada de los veinte, trajo como consecuencia la limitacin y finalmente la prohibicin del uso de los primeros refrigerantes.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn 1928, la compaa Frigidaire Corporation, desarroll el R-21, el primer miembro de la familia de los refrigerantes de clorofluorocarbonos. Despus de algunos aos, esta empresa eligi al R-12 como el refrigerante ms adecuado para uso comercial y le dio a esta familia de compuestos el nombre comercial de fren. Sin embargo, los refrigerantes R-12 y R-22 se han identificado como contribuyentes en la degradacin de la capa de ozono y en el efecto invernadero, por lo que los refrigerantes R-134a y R-123 se han usado como reemplazos de los anteriores.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporElementos Principales de las Mquinas Frigorficas: Compresor: El refrigerante entra como vapor saturado y se comprime a la presin del condensador. Incrementa la presin del fluido para que pueda condensarse a la presin del condensador y circular por el sistema

Condensador: El refrigerante sale del compresor a una temperatura relativamente alta se enfran y condensa conforme fluye por el serpentn liberando calor hacia el medio exterior.

Vlvula: El refrigerante sale del condensador y entra a la vlvula donde su presin y su temperatura desciende drsticamente, debido a la estrangulacin.

Evaporador: El refrigerante entra al evaporador donde absorbe calor del espacio refrigerado evaporndose y luego repetir el proceso.

Maquinas Frigorficas (Refrigeradores):

Refrigerantes:Las dos temperaturas elegidas para los procesos de evaporacin y condensacin determinan las presiones de funcionamiento del ciclo para un refrigerante dado. La eleccin de un refrigerante depende en parte de la relacin presin-temperatura de saturacin en el intervalo de inters. Al comienzo los sistemas de refrigeracin utilizaban sustancias qumicas como el dixido de azufre, amoniaco y ter etlico, estos eran refrigerantes altamente txicos, los cuales al producirse fugas podan causar desenlaces fatales. Por lo que llevo a partir de los aos 30 al desarrollo y utilizacin de sustancias denominadas compuestos clorofluorocarbonatos (CFC). Los ms importantes son R-11, R-12, R-22 Y R-502. Los CFC se han descubierto que destruyen la capa de ozono, a partir de los aos 80 comenzaron los estudios por utilizar un refrigerante menos contaminante. El cual llevo al desarrollo del R-134a el cual no es agresivo con el ambiente porque sus molculas no contienen cloro. El problema de utilizar nuevos refrigerantes en un sistema es el hecho de puede que sea necesario el rediseo de los compresores.

REFRIGERANTES

Refrigerantes:La siguiente tabla proporciona las siglas o formas abreviadas de los nombres de muchos fluidos refrigerantes usados en la actualidad

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporDescripcin del cicloEste ciclo aprovecha la entalpia de transformacin de las sustancias al cambiar de fase lquida a fase de vapor.En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo: el evaporador, lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador domstico; el condensador-enfriador, que es un serpentn con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el compresor que es un aparato cilndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la vlvula de expansin que es un tubo capilar.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEl diagrama que representa los cuatro elementos mencionados con anterioridad y que conforman el ciclo es:

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el compresor se eleva la presin de la sustancia que se encuentra en su fase gaseosa y, por consiguiente, se eleva tambin su temperatura.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporDespus de salir del compresor, la sustancia, todava en su fase gaseosa, entra al condensador-enfriador, donde rechaza calor al medio ambiente, debido a una diferencia de temperatura que guarda con ste. Debido a esta disminucin de su energa, la sustancia baja su temperatura y despus se condensa, cambiando de fase gaseosa a la fase lquida. En todo este proceso se considera que la presin permanece constante.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporUna vez que la sustancia en la fase lquida sale del condensador, entra a la vlvula de expansin, producindole un estrangulamiento (en el que la entalpia a la entrada es igual a la de salida) que baja la presin de la sustancia y disminuye su temperatura a un valor menor que la temperatura ambiente, en un estado cercano al lquido saturado correspondiente a esta presin y temperatura.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporLa sustancia se ha empezado a evaporar en la vlvula de expansin, pero se procura que la mayor parte de la evaporacin se lleve a cabo en el evaporador donde la sustancia toma la energa necesaria para su evaporacin del medio que se desea refrigerar o enfriar. Este proceso es a presin y temperatura constantes.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporUna vez que sustancia se ha evaporado totalmente, entra en el compresor para iniciar un nuevo ciclo al comprimir el gas y llevarlo a un estado de vapor sobrecalentado con un aumento en su presin y temperatura.

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporFlujos energticos asociados al ciclo:

Ciclos de Refrigeracin:

Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:

Procesos que experimenta el fluido en un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor:

Proceso 1-2: Compresin isentrpica en un compresor.Proceso 2-3: Rechazo de calor a presin constante en el condensador.Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansin.Proceso 4-1: Absorcin de calor a presin constante en el evaporador.



ESQUEMA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPORDIAGRAMA TEMPERATURA - ENTROPIA



DIAGRAMA PRESION - ENTALPIA

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el compresor:proceso adiabticoProcesos

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el condensador-enfriador:proceso isobrico

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn la vlvula de expansin:proceso isoentlpico

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el evaporador:proceso isobrico

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporDado que la eficiencia est dada por = Se tiene que en el caso del refrigerador, un indicador de su funcionamiento est dado porCOP = donde COP se le conoce como coeficiente de operacin o rendimiento, el cual tambin se puede escribir comoCOP = Balance de energa

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el evaporador:{q}4-1 + {w}4-1 = [ec + ep + h]4-1como {w}4-1 = 0 ec 4-1 = 0ep 4-1 = 0entonces{q}4-1 = h4-1 = h1 h4

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporEn el compresor:{q}1-2 + {w}1-2 = [ec + ep + h]1-2como {q}1-2 = 0 ec 1-2 = 0ep 1-2 = 0entonces{w}1-2 = h1-2 = h2 h1

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporPor lo tantoCOP = dado que, en la vlvula de estrangulamiento: h3 = h4podemos escribir tambin:COP =

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporDispositivo de refrigeracin del laboratorio:

Ciclo de refrigeracin por la compresin de un vaporUna unidad para medir la capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeracin muy utilizada en la industria es latonelada de refrigeracinque, en el SI, equivale aproximadamente a 3.5 [kW]


Ciclo de Refrigeracin en Cascada:Se utilizan en aplicaciones industriales en las que se necesitan temperaturas moderadamente bajas (comprendidas en el intervalo de -25 a -75 C (-10 a -100 F)). Un ciclo en cascada es sencillamente un conjunto de ciclos de compresin de vapor en serie, tal que el condensador de un ciclo de temperatura inferior proporcione calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor.

Caractersticas: Es como tener ciclos de refrigeracin sencillos operando en serie.

Se utiliza cuando se requiere temperaturas relativamente bajas y un gran diferencial de temperatura. Esto a su vez implica manejar una gran diferencial de presin, 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.


Ciclo de Refrigeracin en Cascada:

ESQUEMA DE UN CICLO DE REFRIGERACION EN CASCADADIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA DE UN CICLO DE REFRIGERACION EN CASCADA


Ciclo de Refrigeracin en Cascada:

El cociente de los flujos msicos en cada ciclo esta determinado por la variacin de entalpa de cada fluido al pasar por el intercambiado de calor.

Adems


Sistema de Refrigeracin por Compresin de Mltiples Etapas:

El sistema de Refrigeracin de Mltiples Etapas puede verse como un sistema de Refrigeracin en Cascada, en donde se sustituye el intercambiador entre las etapas por una cmara de mezcla o de evaporacin que mejora la transferencia de calor, entre las 2 etapas.

Necesariamente se debe usar un mismo refrigerante en ambas etapas.

El proceso de compresin se asemeja a una compresin de 2 etapas con interenfriamiento. Lo cual disminuye el requerimiento de trabajo.

La fraccin de vapor que se forma en la cmara de evaporizacin instantnea es la calidad X del fluido en el estado 6 del diagrama de maquinas, y es la fraccin de flujo que pasa por la cmara de mezcla proveniente de la cmara de evaporacin instantnea. La fraccin de lquido formado es 1-X, que corresponde a la fraccin del flujo total que pasa por el evaporador.



ESQUEMA DE UN CICLO DE REFRIGERACION DE MULTIPLES ETAPAS DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA DE UN CICLO DE MULTIPLES ETAPAS



Aplicando el balance de energa el la cmara de mezcla en condiciones adiabticas para determinar la entalpa a la salida se tiene:Cmara de Mezcla:

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

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



Compresores:El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador es la suma de las dos (2) etapas, es decir:

COPR:


Otros Sistemas de Refrigeracin:

Licuacin de Gases:La licuefaccin de gases siempre es un rea importante de la refrigeracin, muchos procesos cientficos y de ingeniera a temperaturas criognicas (temperaturas por debajo de -100 C) dependen de gases licuados. Algunos ejemplos son la separacin del oxigeno y del nitrgeno del aire, la preparacin de propulsores lquidos para cohetes, el estudio de propiedades de materiales a bajas temperaturas, y el estudio de algunos fenmenos interesantes como la superconductividad.



Ciclos de Refrigeracin de Gas:La expansin adiabtica de los gases puede utilizarse para producir un efecto de refrigeracin. De la manera ms simple, se consigue utilizando un ciclo Brayton inverso. La particularidad de este ciclo es que el refrigerante se mantiene durante todo el proceso en estado gaseoso a diferentes temperaturas y presiones.



Sistema de Refrigeracin por Absorcin:Tiene atractivo econmica cuando se tiene una fuente de energa trmica barata a una temperatura de 100 a 200 c, los sistemas de refrigeracin por absorcin implican la absorcin de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de absorcin mas utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco sirve como refrigerante y el agua es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeracin por absorcin son agua-bromuro de litio y el agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante. Los dos ltimos sistemas se limitan a aplicaciones como el acondicionamiento de aire, en las que la temperatura mnima queda por arriba del punto de congelacin del agua.

EJEMPLOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACION

SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

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