Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Facultad de Ingeniería.

División de Ciencias Básicas

Rigel Gámez Leal

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Introducción

El campo de la refrigeración incluye los refrigeradores domésticos, la congelación de carnes, frutas y legumbres, enfriamento de locales, fabricación de hielo, procesos industriales y plantas criogénicas, por mencionar sólo algunas. Para lograr esto, lo que se hace es un proceso mediante el cual un dispositivo retira energía de un depósito de temperatura baja para llevarlo a un depósito de temperatura alta, sin embargo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, esto es imposible de lograr a menos que se utilice trabajo.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

El éter etílico fue el primer refrigerante utilizado para el comercio de sistemas por compresión de vapor en 1850, le siguieron otros como el amoniaco, dióxido de carbono, cloruro metílico, 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 década de los veinte, trajo como consecuencia la limitación y finalmente la prohibición del uso de los primeros refrigerantes.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

En 1928, la compañía Frigidaire Corporation, desarrolló el R-21, el primer miembro de la familia de los refrigerantes de clorofluorocarbonos. Después de algunos años, esta empresa eligió al R-12 como el refrigerante más adecuado para uso comercial y le dio a esta familia de compuestos el nombre comercial de “freón”. Sin embargo, los refrigerantes R-12 y R-22 se han identificado como contribuyentes en la degradación 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 refrigeración por la compresión de un vapor

Descripción del ciclo

Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida 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 doméstico; el condensador-enfriador, que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la válvula de expansión que es un tubo capilar.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

El diagrama que representa los cuatro elementos mencionados con anterioridad y que conforman el ciclo es:

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

En el compresor se eleva la presión de la sustancia que se encuentra en su fase gaseosa y, por consiguiente, se eleva también su temperatura.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Después de salir del compresor, la sustancia, todavía en su fase gaseosa, entra al condensador-enfriador, donde rechaza calor al medio ambiente, debido a una diferencia de temperatura que guarda con éste.

Debido a esta disminución de su energía, la sustancia baja su temperatura y después se condensa, cambiando de fase gaseosa a la fase líquida. En todo este proceso se considera que la presión permanece constante.

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Una vez que la sustancia en la fase líquida sale del condensador, entra a la válvula de expansión, produciéndole un estrangulamiento (en el que la entalpia a la entrada es igual a la de salida) que baja la presión de la sustancia y disminuye su temperatura a un valor menor que la temperatura ambiente, en un estado cercano al líquido saturado correspondiente a esta presión y temperatura.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

La sustancia se ha empezado a evaporar en la válvula de expansión, pero se procura que la mayor parte de la evaporación se lleve a cabo en el evaporador donde la sustancia toma la energía necesaria para su evaporación del medio que se desea refrigerar o enfriar. Este proceso es a presión y temperatura constantes.

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Una 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 presión y temperatura.

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Flujos energéticos

asociados al ciclo:

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Flujos energéticos

asociados al ciclo:

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Flujos energéticos

asociados al ciclo:

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

En el compresor:

proceso adiabático

Procesos

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En el condensador-enfriador:

proceso isobárico

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En la válvula de expansión:

proceso isoentálpico

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

En el evaporador:

proceso isobárico

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Dado que la eficiencia está dada por

η =

Se tiene que en el caso del refrigerador, un indicador de sufuncionamiento está dado por

β =

donde β se le conoce como coeficiente de operación orendimiento, el cual también se puede escribir como

β =

Balance de energía

aportarquehayquelo

deseasequelo

compresor

evaporador

W

Q

compresor

evaporador

w

q

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En el evaporador:

{q}4-1 + {w}4-1 = [∆ec + ∆ep + ∆h]4-1

como {w}4-1 = 0

∆ec 4-1 = 0

∆ep 4-1 = 0

entonces

{q}4-1 = ∆h4-1 = h1 – h4

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

En el compresor:

{q}1-2 + {w}1-2 = [∆ec + ∆ep + ∆h]1-2

como {q}1-2 = 0

∆ec 1-2 = 0

∆ep 1-2 = 0

entonces

{w}1-2 = ∆h1-2 = h2 – h1

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Por lo tanto

β =

dado que, en la válvula deestrangulamiento:

h3 = h4

podemos escribir también:

β =

12

41

hh

hh

−

−

12

31

hh

hh

−

−

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Dispositivo de refrigeración del laboratorio:

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Una unidad para medir la capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración muy utilizada en la industria es la

tonelada de refrigeración

que, en el SI, equivale aproximadamente a 3.5 [kW]

Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

Agradecimientos:

María Eugenia Macías Ríos

Martín Bárcenas Escobar

Referencias bibliográficas:

* Sears, Zemansky, Young y Freedman. “Física Universitaria”. Addison Wesley. Undécima edición. México 2004.

* González O. R., Núñez O. F. “Apuntes de Principios de Energética”. UNAM. Facultad de Ingeniería. México 1985.