EL CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOREL CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESION DE VAPOR

El ciclo de Carnotinvertidono es prctico para comparar el ciclo real de refrigeracin. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximarlos procesosde suministro ydisipacin de calora temperatura constante para alcanzar el mayor valor posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una mquina frigorfica con un ciclo de compresin de vapor. En la Figura 3.15 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime isoentrpicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presin constante hasta que el fluido se convierte en lquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presin mas baja, se expande adiabticamente en una vlvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulacin y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es unamezclahmeda debaja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presin constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.

Fig. 3.15. Esquema de lamaquinariay los diagramas Ts y Ph de unciclo de refrigeracinpor compresin de vapor.

A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo decompresindevaporque se present en la Figura 3.15, contiene un proceso irreversible que es elproceso deestrangulacin. Se supone que todas las demspartes del cicloson reversibles.Lacapacidadde lossistemas de refrigeracinse expresa con base a las toneladas de refrigeracin que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseo. Una tonelada de refrigeracin se define como la rapidez de extraccin de calor de la regin fra ( o la rapidez de absorcin de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una mquina frigorfica es el flujo volumtrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo del compresor.

Elcoeficiente de rendimientode un refrigerador se expresa como

El coeficiente derendimientode unabomba de calorse expresa como

PROCESO DE COMPRESIN REAL

El proceso de compresin real incluir efectos friccionantes los cuales incrementan la entropa y latransferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropa. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfra en la salida del condensador. Adems el compresor no es isoentrpioco. Esto se observa en la Figura 3.16.

Fig. 3.16. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor coneficienciaadiabtica en el compresor.

La eficiencia adiabtica del compresor viene dada por

SISTEMAS POR COMPRESION DE VAPOR EN CASCADA Y DE ETAPAS MLTIPLES

Es necesario examinar dos variacionesdel ciclode refrigeracin bsico por compresin de vapor. La primera es el ciclo en cascada, que permite usar un ciclo por compresin de un vapor cuando la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador es muy grande. En la segunda variacin se emplea el uso de compresin en etapas mltiples con enfriamiento intermedio, la cual reduce la entrada necesaria de trabajo.

CICLO DE CASCADA

En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor resulte prctico. Un gran intervalo de temperatura significa tambin un gran nivel de presin en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el proceso de refrigeracin en etapas, es decir, tener dos o ms ciclos de refrigeracin que operen en serie. Dichos ciclos reciben el nombre de ciclos de refrigeracin en cascada. Un ciclo de refrigeracin en cascada de dos etapas se muestra en la Figura 3.17. Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio de ambos, el cual sirve como el evaporador en el ciclo superior (ciclo A) y como elcondensadoren el ciclo inferior (ciclo B). Si se supone que el intercambiador de calor est bien aislado y las energas cintica y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor al fluido en el ciclo superior. De modo que la relacin de los flujos de masa en cada ciclo debe ser

Adems,

En el sistema en cascada, no es necesario que los refrigerantes en ambos ciclos sean iguales ya que no se produce mezcla en el intercambiador de calor.

Fig. 3.17 Esquema del equipo y diagrama Ts de un ciclo de refrigeracin en cascada.

CICLO DE COMPRESIN DE VAPOR EN ETAPAS MLTIPLES

Otra modificacin del ciclo de refrigeracin por compresin de vapor consiste en la compresin en etapas mltiples con enfriamiento intermedio para disminuir la entrada de trabajo. Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeracin en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo, ya que ste cuenta con mejores caractersticas de transferencia de calor.

Fig. 3.18 Esquema de la maquinaria y diagrama Ts de un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo.

La Figura 3.18 muestra un esquema para el ciclo de compresin en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. Ellquidoque sale del condensador se estrangula (proceso 5-6) al entrar a una cmara de expansin mantenida a presin intermedia entre la presiones del evaporador y el condensador. Todo el vapor que se separa del lquido en la cmara de expansin se transfiere a una cmara de mezclado, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor de baja presin en el estado 2. La cmara de mezclado acta como un enfriador intermedio regenerativo, pues enfra el vapor que sale del compresor de baja presin antes que toda la mezcla entre la etapa de alta presin del compresor en el estado 3. El lquido saturado de la cmara de expansin se estrangula al pasar a la presin del evaporador en el estado 9. El proceso de compresin de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura 3.18, en la cual se ha supuesto compresin isoentrpica. Aunque el mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema, los flujos en cada circuito no son iguales. Con objeto de analizar el sistema conviene suponer que en uno de los circuitos circula la unidad de masa. En este anlisis supongamos que la unidad de masa pasa por los estados 3-4-5-6 del circuito de alta presin. La fraccin de vapor formado en la cmara de expansin es la calidad x del fluido en el estado 6 de la figura 3.18 y sta es la fraccin del flujoque pasapor el condensador que atraviesa la cmara de mezclado. La fraccin del lquido que se forma es (1-x) y es la fraccin del flujo total que pasa por el evaporador. Se puede evaluar la entalpa en el estado 3 por medio de un balance de energa en la cmara de mezclado en condiciones adiabticas

en la que h3es la nica incognita. El efecto de refrigeracin por unidad de masa que pasa por el evaporador es

La entrada total de trabajo al compresor por unidad de masa que pasa por el condensador es la suma de las cantidades para las dos etapas, es decir,

El coeficiente de funcionamiento del ciclo de compresin de vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se define como qrefrig/wcomp.

IntroduccinLahistoriade larefrigeracinpuede remontarse a cientos de aoscuandoel hielo natural proporcionaba el efecto de enfriamiento. La poca de la refrigeracin a granescalase desarroll por primera vez en el siglo XIX, y a mediados de los 1800 la cosecha,almacenamientoy envi dehielonatural se convirti en una de lasindustriasms importantes de los estados de NuevaInglaterra. Hacia finales del siglo XIX, la refrigeracinmecnicase haba convertido en un hecho prctico y laindustriade la refrigeracintalcomo se conoce ahora ya haba surgido. Junto con el uso de larefrigeracin industrialpara la preservacin dealimentos, laproduccinqumica, las aplicacionesmetalrgicas, enmedicina, entre otras, apareci otra faceta delprocesode refrigeracin: elcontrolde latemperaturay lahumedaddelambiente, que se denomina comnmente acondicionamiento deaire.Lafuncinprincipal de acondicionamiento de aire, es mantener, dentro de unespaciodeterminado, de confort. O bien las necesarias para la conservacin de unproductoo para unproceso de fabricacin.El uso de la refrigeracin yaire acondicionado, cada da se va incrementando yencuentrams aplicaciones; hace algunos aos, el uso principal de la refrigeracin era laproduccinde hielo, ahora la refrigeracin esesencial, en la produccin ydistribucinde alimentos, y para el funcionamiento de la industria alimenticia yqumica.Con elaire acondicionadose vive ms confortable y saludablemente. Y muchosprocesosindustriales se efectuaran de manera ms eficiente.Actualmente se ha incrementado enMxico, el usodel aireacondicionado por medio de las unidadespaquete, las cuales estn especficamente calculadas sobre la carga trmica disponibleCiclo de refrigeracin y unidadesLa refrigeracin es una de las principales reas de latermodinmica, es la transferencia decalorde una regin detemperaturainferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeracin se llama refrigeradores y los ciclos en los que operan se llama ciclos de refrigeracin.Existen variossistemasde refrigeracin que se utilizan en la prctica para llevar a cabo tal funcin:a)Sistemas de refrigeracinmecnica.b) Sistemas de refrigeracin por absorcin. c) Sistemas de refrigeracin porvaco.d) Sistemas de refrigeracin porgas.El ciclo de Carnot ha servido para establecer los criterios de operacin de los ciclos depotencia: el estudio del ciclo de Carnotinvertidoproporcionar lamayor partede las limitaciones termodinmicas y los criterios de operacin de los ciclos de refrigeracin.I. CICLO DE CARNOT INVERTIDOSe recordar que el ciclo de Carnot se compone decuatro(4) procesos reversibles: dos (2) de ellos isotrmicos y dos (2) isoentrpicos. Para el ciclo invertido, eldiagrama de flujode energa es como el que semuestraen la Figura 1. Ntese que en este caso eltrabajode lamquinasirve para tomar calor del sumidero a T2 y desecharlo a T1. EldiagramaT-S para el ciclo invertido se muestra en la Figura 2. Y las reas se interpretan como varios aspectos de la energa correspondientes a la Figura 1.Si se est interesado en extraer la mayor cantidad de calor del sumidero, es deseable hacerlo con la menor cantidad posible de suministro de energa alsistema. Este modo de operacin es equivalente a la operacin con la mximaeficiencia.

Se establece a continuacin un hecho significativo para el ciclo de refrigeracin. Para el ciclo de potencia directo, se estaba interesado en la cantidad de trabajo que se obtena de un suministro de calor dado, y esta relacin se llamaba la eficiencia del ciclo de potencia. Para el ciclo invertido se tieneintersen la cantidad de trabajo requerido para extraer una cantidad de calor dada de la fuente de baja temperatura.Esta relacin del efecto de refrigeracin a la entrada del trabajo se conoce como coeficiente de operacin (COP). As;

Para el ciclo de Carnot invertido mostrado en las Figuras el calor extrado de la fuente a T2 es T2 (S2-S1) yel trabajosuministrado es (T1-T2) (S2-S1):

Nteseque el COP para un ciclo de refrigeracin ideal es mayor que la unidad. Resumiendo lo anterior,El COP de un ciclo de Carnot es funcin slo de las temperaturas superior e inferior del ciclo y aumenta en forma inversamente proporcional a la diferencia entre las temperaturas superior e inferior. Estas conclusiones son independientes del fluido de trabajo del ciclo.La ecuacin 2 indica que, para el COP mximo, T2 debe conservarse de modo que sea mnima. En la mayor parte de los casos el sumidero de calor es laatmsfera a algn cuerpo de los alrededores o elagua.Cualquier desviacin del ciclo real de los procesos ideales previstos para el ciclo de Carnot conduce avaloresdel COP menores que el ideal.2.- CICLO POR COMPRESIN DE VAPOR.An cuando el ciclo de Carnot invertido es un estndar con el cual se puede comparar todos los ciclos reales, no es un dispositivo prctico para propsitos de refrigeracin. Sin embargo, sera muy deseable aproximarse a los procesos de adicin de calor a temperatura constante y de expulsin de calor a temperatura constante, con objeto de lograr el mximo coeficiente de operacin posible. Esto se logra en buena medida con un dispositivo de refrigeracin segn el Ciclo de Compresin de Vapor.Del mismo modo como se encontr que era posible invertir el Ciclo de Carnot es posible, tericamente, invertir el ciclo de Rankine. En la Figura 3 se muestra un ciclo elemental de compresin de vapor, y en la Figura 4 su correspondiente diagrama T-S.

Figura 3. Ciclo simple por compresin de vapor. Figura 4. Ciclo simple por compresin de vaporEl ciclo se compone de una expansin del fluido desde el punto de saturacin hasta la regin hmeda (trayectoria (1) a (2)). Durante este proceso (estrangulamiento), la entalpa permanece en esencia constante. Sin embargo, lapresiny la temperatura del fluido de trabajo disminuyen, y el fluido se convierte en una mezcla de lquido y vapor enel estado(2). El fluido de trabajo enfriado (refrigerante) pasa ent onces al evaporador y ah (trayectoria de (2) a (3)) entra el calor de la regin o del fluido a enfriar. Esta parte del proceso se lleva a cabo a temperatura y presin constantes (idealmente) dado que el fluido de trabajo est en la regin hmeda. La siguiente parte del ciclo (trayectoria de (3) a (4)) es una fase de compresin. Si la compresin contina desde el punto (3) hasta el punto (4) en la Figura 4 la refrigeracin comenzar del punto del vapor saturado y luego continuar hacia la regin de vapor sobrecalentado. Esta trayectoria se llama compresin seca. Se muestra una trayectoria alterna (3a) a (4a), en donde el refrigerante est en un inicio "hmedo" y se lleva apenas a las condiciones de saturacin mediante el proceso de compresin. Esta trayectoria se ha denominado compresin hmeda por razones obvias. De las consideraciones del ciclo y del diagrama T-S puede demostrarse que es ms eficiente operar el ciclo con compresin hmeda. Sin embargo, la mayor parte de los ciclos de compresin de vapor operan con compresin seca, puesto que la prdida de eficiencia es pequea, en tanto que losproblemasprcticos deldiseodel compresor y la operacin se simplifican en forma considerable. En la ltima trayectoria del ciclo (trayectoria de (4) a (1) se desecha calor esencialmente a presin constante hasta que se alcanza la lnea lquido saturado. Una vez ms el diagrama T-S muestra un camino alterno ( ) a (2a). En la prctica sera difcil alcanzar justamente el punto (1) para todas las cargas del sistema, y cabra esperar un poco ms de enfriamiento hasta el punto (1a).Es posible analizar el sistema como sigue:Trayectoria (1) a (2), estrangulamiento: h1 = h2Trayectoria (2) a (3), evaporador (efecto enfriador):qenf. = h3 - h2 = h3 - h1Trayectoria (3) a (4), compresor:Trabajo (W) = h4 - h3(para el ciclo de refrigeracin, el trabajo en el ciclo se considera positivo) Trayectoria (4) a (1), condensador (extraccin de calor):Qext. = h4 - h1De las cantidades sealadas, se observar que la energa extrada en el condensador debe ser igual numricamente a la ganancia de calor en el evaporador ms el trabajo del compresor. Sin embargo, la capacidad de refrigeracin es slo el efecto evaporador.La definicin del COP (en trminos de este ciclo) es la relacin del calor absorbido en el evaporador al trabajo neto que entra al ciclo. Enunidadesde calor compatibles esto puede escribirse como;

En una situacin real, el ciclo de refrigeracin difiere del ciclo ideal en varias formas. La presencia de la friccin da por resultado tantos cados de presin a lo largo de todo el ciclo como que el compresor sea irreversible. Adems, se debe tener en cuenta el hecho de que hay transferencia indeseable de calor. Como no es posible controlar con exactitud elestadodel fluido que sale del evaporador que se considera en el ciclo ideal. Las irreversibilidades en el flujo a travs del compresor llevan a un au mento en laentropadel fluido durante el proceso y un incremento concomitante de la temperatura final con respecto a la del caso ideal. Si las prdidas de calor del compresor son suficientemente grandes, la entropa real del fluido a la salida del compresor puede ser menor que la de la entrada. Aun cuando la cada de presin en el condensador sea pequea, el fluido probablemente saldr del condensador como un lquido subenfriado y no como el lquido saturado que se supone en el ciclo ideal. Este es un efecto benfico, ya que la entape baja que resulta del efecto de subenfriamiento permite que el fluido absorba una mayor cantidad de calor durante el proceso de evaporacin.Laevaluacinde ciertos parmetros de inters en los ciclos de refrigeracin se ha basado en las temperaturas de saturacin del refrigerante en el evaporador y en el condensador. No obstante, la temperatura que desea mantener en la regin fra como la temperatura del agua o el aire de enfriamiento disponible para emplearse en el condensador. En la Figura 5. Se muestra un diagrama esquemtico de un sistema de refrigeracin de un refrigerador casero.

Figura 5.El condensador se dispone fsicamente de modo que el aire del local fluya a travs del condensador por conveccin natural. La vlvula de expansin es un tubo capilar grande y el evaporador se muestra alrededor de la parte externa del compartimiento congelador dentro del refrigerador. Las presiones que se muestran en la Figura 5. Son tpicas cuando se usa dixido de azufre como refrigerante. A pesar que el compresor mostrado de manera esquemtica es una unidad reciprocante, existen unidades giratorias pequeas, eficientes y econmicas para refrigeradores domsticos.Partiendo del punto 1 de la Figura 5., el refrigerante en fase vapor entra al compresor a baja presin y temperatura a p2 y t2. La temperatura de saturacin correspondiente a p2 debe ser algnvalorpor encima de la temperatura atmosfrica, o por encima de la temperatura del agua de enfriamiento que puede usarse en el condensador. Saliendo del compresor en la condicin 2, el vapor entra al condensador donde se condensa hasta la fase lquida a alguna temperatura t3. Despus del condensador, el lquido entra a una vlvula de expansin, que separa las presiones de alta y baja presin y pasa a travs de la vlvula en un proceso de estrangulamiento con h3 = h4. El refrigerante entra entonces al evaporador (o compartimiento congelador) donde hierve debido a que recibe calor del refrigerador y su contenido. El vapor del evaporador entra al compresor y el ciclo vuelve a comenzar.El ncleo de cualquier sistema de refrigeracin es el compresor.3._ SISTEMAS DE COMPRESIN DE VAPOR EN CASCADA Y EN ETAPAS MLTIPLES.Existen variaciones del ciclo bsico de refrigeracin por compresin de vapor. La primera es el ciclo en cascada, el cual permite elempleode un ciclo de compresin de vapor cuando la diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es muy grande.La segunda variacin incluye el uso de compresin en etapas mltiples con interenfriamiento, lo que reduce el trabajo de compresin.3. a.) Ciclo en Cascada.Existen aplicaciones industriales que exigen temperaturas moderadamente bajas. Esto es especialmente cierto cuando se desean temperaturas en el intervalo de -25 a -75 C (-10 a -100 F). En general, por desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresin de vapor para obtener estas temperaturas moderadamente bajas. La diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este caso muy grande. En consecuencia, la variacin de la temperatura de saturacin con respecto a la presin de vapor de un solo refrigerante no cumplira conlos valoresdeseados para el evaporador y el condensador. Para superar esta dificultad sin abandonar la compresi n de vapor, se emplea un sistema de cascada. Un ciclo en cascada es simplemente una disposicin en serie de ciclos simples de compresin de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura baja entregue calor al evaporador de un ciclo a te mperatura superior, como se ven en la Figura 6.a. An cuando ah se muestran slo dos unidades, el empleo de tres o cuatro unidades en serie es prctico, en caso necesario. Normalmente se utiliza un refrigerante distinto en cada uno de los ciclos, con el objeto de satisfacer los requisitos de cada intervalo de temperatura y presin. Al elegir los dos refrigerantes en la Figura 6. por ejemplo, es importante que la temperatura del estado triple del fluido en el ciclo B sea menor que la temperaturacrticadel fluido en el ciclo A.En la Figura 6-b se muestra el diagrama T-S de un sistema ideal en cascada doble que emplea el mismo refrigerante en cada ciclo. (Si se utilizan dos refrigerantes distintos en un sistema en cascada, deben utilizarse tambin dosdiagramasT-S diferentes). A pesar de no ser la prctica comn, como se hizo ya laobservacin, el empleo del mismo refrigerante en cada ciclo permite examinar las virtudes de un sistema en cascada. Las posiciones de los ciclos A (1-2-3-4) y B(5-6-7-8) se indican con claridad en la figura. En general losgastosmsicos de los refrigerantes en los dos ciclos no son los mismos, sean los refrigerantes iguales o distintos. El gasto msico (m) est determinado por las toneladas de refrigeracin requeridas en el evaporador del ciclo A. Adems, la rapidez de transferencia de calor desde el condensador del ciclo A debe ser igual a la rapidez de transferencia de calor del fluido en el evaporador del ciclo B, si el intercambiador de calor de todo el conjunto est bien aislado. Un balance de energa para el intercambiador de calor que liga el condensador con el evaporador revela que; MA * (h2 - h3) = mB * (h5 - h8) Sistema de CascadaPor tanto, el cociente de los gastos msicos en cada ciclo est determinado por los cambios de entalpa de cada fluido a su paso por el intercambiador de calor.

Figura 6.ayb3. b.) Compresin de Vapor en Etapas Mltiples.Otra modificacin del ciclo de refrigeracin por compresin de vapor incluye la compresin en etapas, mltiples con enfriamiento intermedio (interenfriamiento), para disminuir la entrada de trabajo.En la Figura 7.a. muestra un esquema de la compresin en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. El lquido que sale del condensador se hace pasar por un estrangulamiento (proceso 5-6) hacia una cmara separadora mantenida a una presin entre la del evaporador y la del condensador. Todo el vapor separado del lquido en la cmara separadora se transfiere a una cmara de mezclado, donde se mezcla ntimamente con el vapor que sale del compresor a baja presin en el estado 2. La cmara de mezclado acta como un interenfriador regenerativo en el sentido de que enfra el vapor que sale del compresor de presin baja antes de que la mezcla total entre en la etapa de presin alta del compresor en el estado 3. El lquido saturado de la cmara separadora se estrangula hasta la presin del evaporador en el estado 9.El proceso de compresin en dos etapas con interenfriamiento regenerativo se muestra en el diagrama T-S de la Figura 7.b. se ha supuesto que la compresin es isentrpica. An cuando circula el mismo refrigerante en los doscircuitosdel sistema total, los gastos msicos en esos circuitos no son los mismos. Con el propsito de analizar el sistema, es conveniente suponer que circula una masa unitaria en uno de los circuitos, siendo arbitraria la eleccin. Supngase que la masa unitaria pasa a travs de los estados3-4-5-6 circuito de presin mayor. La fraccin del vapor formado en la cmara separadora es lacalidadX del fluido en el estado 6 de la Figura 7.b., y es sta la fraccin del flujo del condensador que pasa por la cmara de mezclado, proveniente de la cmara separadora. La fraccin de lquido formado es (1-X), y es la fraccin del flujo total que pasa a travs del evaporador. El valor de la entalpa en el estado 3 se puede determinar a partir de un balance de energa para la cmara de mezclado en condiciones adiabticas.Despreciando los efectos de la energa cintica se halla que; Xh7 + (1-X).h2=1(h3)Donde h3 es la nica incgnita. El efecto de refrigeracin por unidad de masa a travs del condensador es;q refrig. = (1 - X) * (h1 - h9)La entrada total de trabajo en el compresor por unidad de masa a travs del condensador es la suma de los dos trminos de las dos etapas, es decir;Wcomp. = (1 - X)*(h2-h1) +1*(h4 - h3)El COP del ciclo de compresin de vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo sigue estando definido como q refrig. /Qcomp.

Figura 7.b.Figura 7.Esquema del equipo y diagrama Ts de un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor con dos etapas, con interenfriamiento regenerativo.REFRIGERANTESUn refrigerante: es un producto qumico lquido o gaseoso, fcilmente licuable, que es utilizado como medio transmisor de calor entre otros dos en una mquina trmica. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire.El principio de funcionamiento de algunos sistemas de refrigeracin se basa en un ciclo de refrigeracin por compresin, que tiene algunas similitudes con el ciclo de Carnot y utiliza refrigerantes como fluido de trabajo.CARACTERISTICAS DE LOS REFRIGERANTES- Calor latente de evaporacin alto:cuanto mayor sea su valor menor cantidad de refrigerante hay que utilizar en el proceso de refrigeracin para obtener una temperatura determinada.- Presin de evaporacin superior a la atmosfrica:para evitar que entre aire en el circuito de refrigeracin, lo que acarreara el problema de queel aguacontenida en el aire se solidificase y obturase algn conducto.- Punto de ebullicin lo suficientemente bajopara que sea inferior a la temperatura de trabajo del evaporador.- Temperaturas y presin de condensacin bajas:as se evitan trabajar con presiones de condensacin altas en el compresor lo que se traduce en un considerableahorrotanto de energa como en el coste de la instalacin.- Inercia qumica:es decir que no reaccione con losmaterialesque componen el circuito ni con elaceitedel compresor.- Ha de ser inmiscible o totalmente miscible con el aceite del compresor:la solubilidad parcial da origen a problemas de depsitos de aceite en el evaporador.- Debe de ser qumicamente estable:hasta el grado de no ser inflamable ni explosivo.- Ha de ser soluble en agua:de esta forma se evita que el agua libre pueda formar cristales de hielo. Por este motivo los circuitos de refrigeracin van provistos de filtros deshidratantes.-Debe ser no txico para elhombre.- Debe tener unimpacto ambientalbajo o nulo en el caso de ser liberado por posibles fugas.- Debe ser fcilmente detectable por el olfato parapoderlocalizar las fugas que se produzcan en el sistema.-Debe ser barato.TIPOS DE REFRIGERANTES CLOROFLUOROCARBONOSLos refrigerantes CFC consisten de cloro, flor ycarbono. Los refrigerantes ms comunes en estegruposon el R11, R12 y R115 (con la mezcla R502). Tal como se mencion ms arriba, estos refrigerantes vienen siendo usados ampliamente desde 1930, en muchas aplicaciones, incluyendo refrigeracin domstica, refrigeracin comercial, almacenamiento fro,transportey aireacondicionadodel auto. Debido a que no contienenhidrgeno, los CFC son muy estables qumicamente, y tienden a tener buena compatibilidad con la mayora de los materiales y lubricantes tradicionales como los del tipo mineral. A lo largo de toda la variedad de CFC, tienen una amplia variedad de caractersticas de presin - temperatura, y por lo tanto cubren un amplio margen de aplicaciones. Sus propiedades termodinmicas y de transporte son generalmente buenas, y por lo tanto ofrecen un potencial muy bueno de eficiencia. La buena estabilidad tambin resulta en un bajo nivel de toxicidad y no flamabilidad, obteniendo una clasificacin de A1 enseguridad.Sin embargo, debido a que contiene cloro, los refrigerantes CFC daan lacapa de ozono(ODP), y debido a su larga vida en la atmsfera, aumentan el calentamiento global (GWP). De manera similar, existengasesambientalmente ecolgicos, pero con un alto valor de GWP. Sin embargo, estos no son controlados por elProtocolode Kioto debido a que son controlados y estn siendo eliminados por el Protocolo de Montreal. Tradicionalmente, los refrigerantes CFC fueron muy baratos y ampliamente disponibles, hoy en da son mucho ms caros y su disponibilidad disminuye.HIDROCLOROFLUOROCARBONADOSLos refrigerantes HCFC consisten de hidrgeno, cloro, flor y carbn. Los refrigerantes ms comunes en este grupo son el R22, R123 y R124 (dentro de variasmezclas). Debido a que contienen hidrgeno, los HCFC son enteoramenos estables qumicamente que los CFC, pero sin embargo tienden a tener buena compatibilidad con la mayora de los materiales y lubricantes tradicionales.HIDROFLUOROCARBONADOSLos refrigerantes HFC consisten de hidrgeno, flor y carbono. Los refrigerantes ms comunes son el R134a, R32, R125 y R143a (la mayora incluidos dentro de mezclas tales como R404A, R407C y R410A). Estos estn siendo usados en gran escala desde 1990 en casi todas las aplicaciones correspondientes a los CFC y HCFC, incluyendo refrigeracin domstica, refrigeracin comercial, almacenamiento fro y aire acondicionado automotor. Los HFC son generalmente estables qumicamente, y tienen tendencia a ser compatibles con la mayora de los materiales. Sin embargo, no son miscibles con con los lubricantes tradicionales, y por lo tanto se emplean otros lubricantes del tipo sinttico. A lo largo del rango de refrigerantes HFC, existen distintas versiones a diferentes presiones y temperaturas. Sus propiedades termodinmicas y de transporte son desde casi a muy buenas, y por lo tanto ofrecen una excelente opcin. Aunque algunos HFC son clasificados como A1 en trminos de seguridad, algunos poseen clasificacin A2 (baja toxicidad y baja flamabilidad). A diferencia de los CFC y HCFC, no contienen cloro, y por lo tanto no daan la capa de ozono. Sin embargo, debido a su largo perodo de vida, son refrigerantes ecolgicamente aceptables pero con un alto valor de GWP. Estos son controlados por el Protocolo de Kyoto. Actualmente, los refrigerantes HFC tienen unpreciomoderado, contra el precio de las mezclas que estn comenzando a aumentar de precio. Aunque numerosos pases estn desarrollandoleyespara controlar el uso y emisin de gases HFC, muchos estn disponibles, y lo continuarn siendo por un futuro mayor.REFRIGERANTES NATURALESVarios hidrocarbonos, el amonaco y dixido de carbono pertenecen al grupo denominado refrigerantes naturales. Todos los refrigerantes naturales existen en los ciclos de lanaturaleza, inclusive sin intervencin del ser humano. Tiene un valor de ODP igual a 0 y no son GWP. Las innovaciones yevolucinen latecnologahan contribuido en la consideracin de estos refrigerantes naturales. Debido a su mnimo impacto ambiental y por ser ms apropiados y acordes desde el punto de vista de la sustentabilidad tecnolgica, los sistemas frigorficos con refrigerantes naturales pueden jugar un rol importante en el futuro de muchas aplicaciones.Amonaco (NH3, R717)El amonaco contiene nitrgeno e hidrgeno, y es ampliamente utilizado en muchas industrias. Ha sido empleado como refrigerante desde los aos 1800, y hoy en da es comnmente usado en refrigeracinindustrial, alcenaje fro, en procesos alimenticios y ms recientemente est siendo usado en refrigeracin comercial y chillers.El R717 es qumicamente estable, pero reacciona bajo ciertas condiciones, por ejemplo, cuando se pone en contacto con dixido de carbono o agua ocobre. Por otro lado, es compatible con elaceroy con el aceite correctamente seleccionado. Las caractersticas de presin y temperatura del R717 son similares al R22. Sin embargo, sus propiedades termodinmicas y de transporte son excelentes, aumentando potencialmente la eficiencia de los sistemas. Debido a su alto grado de toxicidad y baja inflamabilidad, posee una clasificacin igual a B2. A diferencia de los gases fluorados, no tiene impacto en la capa de ozono y tiene un valor igual a cero decalentamiento global(GWP).HIDROCARBONOS (HC)Estos refrigerantes contienen carbono e hidrgeno, y son ampliamente usados en dentro de muchas industrias. Los ms comnmente usados para propsitos de la refrigeracin son el isobutano (C4H12, R600a) y propano (C3H8, R290), propileno (C3H6, R1270) y se usan tambin en mezclas compuestas en parte por estos fluidos. Dentro de lo que es aplicaciones industriales, se usan una variedad de otors HC. En general, los refrigerantes HC han sido usados como refrigerante desde los aos 1800 hasta 1930, y fueron re-aplicados desde la dcada de los 90. Aparte de su uso en refrigeracin industrial, los refrigerantes HC se han usado en refrigeradores domsticos, refrigeracin comercial, acondicionadores de aire y chillers. Los refrigerantes HC son qumicamente estables, y exhiben una compatibilidad similar a los CFC y HCFC. Los Hc tambin tienen excelentes propiedades termodinmicas y de transporte. Debido a su alta inflamabilidad, los HC tienen una clasificacin de seguridad de A3. Al igual que el R717, los refrigerantes HC no tienen impacto en la capa de ozono y su efecto en el calentamiento global es insignificante. Tanto el R600a y R290 son muy barat os pero su disponibilidad depende del pas.DIXIDO DE CARBONO (CO2, R744)Este refrigerante contiene carbono yoxgeno, y es ampliamente empleado en muchas industrias. Ha sido extensivamente usado durante mediados de los aos 1800, pero se discontinu su uso con la aparicin de los CFC y HFCF. A finales de los aos 1990, emergi nuevamente como refrigerante y su uso se ha venido incrementando en las industrias de la refrigeracin, almacenaje fro, refrigeracin comercial, ybombasde calor, entre otros. El R744 es qumicamente estable y no reacciona en la mayora de las condiciones, y es compatible con muchos materiales. Las caractersticas de presin y temperatura del R744 son diferentes a de la mayora de los refrigerantes convencionales, y es por eso, por ejemplo, que opera a presiones siete veces mayores que el R22, con lo cual el sistema debe ser diseado con consideraciones especiales para soportar altas presiones. Adems, tiene una baja temperatura crtica, de manera que cuando la temperatura ambiente supera los 25 C, se necesita el diseo de un sistema especial. Por otro lado, sus propiedades termodinmicas y de transporte son excelentes, haciendo que los sistemas sean potencialmente eficientes en climas fros. Debido a su baja toxicidad y no inflamable, tiene una clasificacin de seguridad de A1. A diferencia de los refrigerantes fluorados, no tiene impacto en la capa de ozono. Sin embargo posee un valor igual a 1 de potencial de calentamiento global (GWP). El R744 es muy barato y ampliamente disponible en elmercado.COMPRESORUn compresor es una mquina de fluido que est construida para aumentar la presin y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a travs de un intercambio de energa entre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por l convirtindose en energa de flujo, aumentando su presin y energa cintica impulsndola a fluir.En las instalaciones frigorficas encontraremos normalmente tres tipos decompresores.HERMETICOS.Todo el conjuntomotor-compresor est internamente en una carcasa soldada sin accesibilidad, normalmente estn instalados en equipos de pequeas potencias, siendo de menor coste y ocupan menor espacio.SEMIHERMETICOS.El eje del motor es prolongacin del cigeal del compresor y estn en una misma carcasa accesible desde el exterior. Se utilizan en potencias medias y eliminan los problemas de alineamiento entre el motor y el compresor.ABIERTOS.El cigeal es activado por un motor exterior al compresor. Se utilizan para medias y grandes potencias y son los ms verstiles y accesibles.FUNCIN DEL COMPRESORLos compresores administran la distribucin del refrigerante, absorbiendo energa de las reas fras y transfirindola a reas ms calientes dentro de la unidad. Los compresores alternan el refrigerante de vapor de baja presin a alta presin, alternando el enfriamiento usando un sistema de dos etapas para mantener los artculos fros a una temperatura mientras se mantienen los artculos congelados en el rea de alta presin. Los compresores se clasifican como abiertos o sellados. Los compresores abiertos se usan para aplicaciones grandes comolos quese usan en instalaciones de produccin y tienen un motor elctrico externo.COMPRESORES CENTRFUGOSLos compresores centrfugos entran dentro de la categoradinmicao compresores de refrigerador. Cuando operan a plena capacidad, estos compresores con muy eficientes, presionando el vapor refrigerante de uno o varios impulsores. Los compresores centrfugos alternativamente pueden controlarse pasando gas caliente de un puerto a otro, aunque este proceso se considera la manera ineficiente de operar una unidad de este tamao. Una unidad grande de este tipo puede controlarse a travs de control develocidad, de paso variable y amortiguadores de succin. Este compresor no es un sistema comn, pero tiene el propsito de administrar un aparato grande en un entorno industrial.COMPRESORES DE TORNILLOLos compresores de tornillo entran en la categora de desplazamiento de unidades de compresin, pasando el refrigerante a travs de husillos mientras comprimen la entrada de gas. Usadas comnmente en entornos de produccin de alimentos, los compresores de tornillo suelen tener uno o dos husos y se distinguen co mo tipos de compresores de uno o dos tornillos. Los compresores de dos tornillos tienen dos rotores estriados que succionan y comprimen el refrigerante a lo largo del sistema. La ventaja de los compresores de tornillo es que pueden manejar grandes cantidades de refrigerante en comparacin con otros compresores en la categora de desplazamiento positivo. Pueden competir con compresores centrfugos de baja capacidad y estn disponibles para varias aplicaciones. Otra ventaja de los compresores de tornillo es su estabilidad, pues evitan algunos de los problemas de vibracin de otros sistemas.COMPRESORES SCROLLLos compresores scroll tambin entran en la categora de desplazamiento positivo y se consideran un tipo de compresor generalmente eficiente y el compresor ms comn en el mercado de la refrigeracin. En una unidad de compresor scroll, un rollo movido por un motor elctrico engrana con un rollo estacionario formando bolsillos que atrapan, transportan y comprimen refrigerante de baja presin desde el exter ior de los rollos hasta el pasaje de descarga. El compresor scroll es notable por sudesempeode compresin fluido y continuo, que reduzca la tasa de fugas y aumenta la eficiencia.COMPRESORES DE PISTNEl ltimo tipo de unidad en la categora de desplazamiento positivo es el compresor de pistn. Usado comnmente con propsitos comerciales en entornos de produccin, el compresor de pistn es similar a un motor de automvil en su composicin. Usando un motor para succionar y luego comprimir el refrigerante en un cilindro, la unidad usa el pistn para iniciar el proceso, permitiendo que una vlvula de entrada se abra y cierre cuando se haya alcanzado el nivel apropiado de presin para enfriar la unida de refrigeracin. Lasvlvulasde entrada y escape estn diseadas para que el flujo del refrigerante viaje en unadireccina lo largo del sistema.EVAPORADORES Y CONDENSADORESSe conoce porevaporadoral intercambiador donde se produce la transferencia de energa trmica desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo. Su nombre proviene delcambiosufrido por el refrigerante al recibir esta energa, luego de una brusca expansin que reduce su temperatura. Durante el proceso de evaporacin, el fluido pasa del estado lquido al gaseoso.Los evaporadores se encuentran en todos los sistemas de refrigeracin como neveras, equipos de aire acondicionado y cmaras. Su diseo, tamao y capacidad depende de la aplicacin y carga trmica de cada uso.TIPOS DE EVAPORADORESPara determinar las condiciones ptimas de diseo, se deben tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relacin ptima entre rendimiento de evaporacin,economay calidad del producto. Estos factores se pueden resumir de la siguiente forma:Evaporador de pelcula descendienteEstos tipos de evaporadores son los ms difundidos en la industria alimenticia, por las ventajas operacionales y econmicas que los mismos poseen.Evaporador de pelcula ascendienteEn estos tipos de evaporadores laalimentacinse produce por la parte inferior del equipo y la misma asciende por los tubos.Evaporador de circulacin forzadaLos evaporadores de circulacin forzada pueden no ser tan econmicos, pero son necesarios cuando losproductosinvolucrados en la evaporacin tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones, cristalizaciones o ciertas caractersticas trmicas que imposibilitan una circulacin natural.CONDENSADOREl condensador es un sistema de lentes situadas bajo la platina su funcin es la de concentrar laluzgenerada por la fuente deiluminacinhacia la preparacin. En el interior del condensador existe un diafragma-iris cuya funcin es limitar el haz de rayos que atraviesa el sistema de lentes eliminando los rayos demasiado desviadosUn condensador es un dispositivo elctrico que permite acumular cargas elctricas.Se denomina Capacidad C a la relacin entre la carga Q almacenada por el condensador y la tensin U a la que est conectado

CARGA DE UN CONDENSADORCuando se conecta un condensador C a una fuente V0 se produce un rgimen transitorio dado por lasecuacionessiguientes:

La cantidadRCse denominaconstante de tiempodel circuito, y su magnitud es importante para eltiempode carga del condensador.BIBLIOGRAFIA1. Buergess H. Jennins and Samuel R. Lewis. "Aire Acondicionado y Refrigeracin". C.E.C.S.A. Dcima Octava reimpresin 1998.2. Roy Dossat. "Principiosde Refrigeracin". C.E.C.S.A. Dcima Octava reimpresin 1998.3. Edward G. Pita. "Acondicionamiento de Aire". C.E.C.S.A. Sexta reimpresin 2002.4. Paul F. Goliber. "Serviciode Refrigeracin". DIANA. Segunda impresin 19955. P. J. Rapin. "Instalaciones Frigorficas". MARCOMBO. Impresin 1993.

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