INTRODUCCIÓN

La investigación de las máquinas frigoríficas o de refrigeración ha llevado al hombre a comprender los principios fundamentales de la transferencia de calor, como la extracción de calor de una fuente fría hacia otra fuente de diferente temperatura.

Estos principios han llevado al hombre a controlar el flujo de aire, la calefacción, la conservación de elementos perecederos, la medicina etc. Todo esto para mejorar la calidad de vida del hombre.

OBJETIVO GENERAL

Tener en cuenta los principios fundamentales de una maquina frigorífica y su desempeño en la industria y el comercio.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer principio fundamental de unas máquinas frigoríficas.

Como se dividen las maquinas frigoríficas.

Cuáles son las más importantes en la industria y el comercio.

Conocer el funcionamiento de los diferentes tipos de máquinas frigoríficas.

CONCLUCIÓN

Las maquinas frigoríficas a través de un trabajo mecánico transforman la energía mecánica en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor que la temperatura exterior.

Las maquinas frigoríficas tienen cuatro pasos fundamentales e indispensables en el proceso de refrigeración como son: La condensación, evaporación, compresión y válvulas de expansión.

Las máquinas frigoríficas desempeñan un papel importante en la vida del hombre, porque pueden transformas su calidad de vida.

MÁQUINA FRIGORÍFICA

Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor que la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía eléctrica mediante un motor eléctrico.

Esta transferencia se realiza mediante un fluido frigorígeno o refrigerante, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.

Una máquina frigorífica debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:

1) Condensador, 2) válvula de expansión, 3) evaporador, 4) compresor.

Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.

Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante)y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.

Sistema de expansión: El refrigerante líquido entra en el Dispositivo de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.

Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

Diagrama del ciclo de una máquina frigorífica por compresión simple:

Tanto en evaporador como en el condensador la transferencia energética se realiza principalmente en forma de calor latente.

Resumiendo, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar la circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la presión provocando el enfriamiento del refrigerante.

Económicamente hablando, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayor cantidad de calor (Q2) del foco frío (T2) con el menor trabajo (W). Por ello, se define la eficiencia o COP (que no es lo mismo que rendimiento) de una máquina frigorífica como el cociente Q2/W:

Eficiencia

Q2 Representa el calor extraído de la máquina frigorífica por los serpentines refrigerantes situados en su interior (congelador).

W Es el trabajo realizado por el motor que acciona el compresor. Q1 Es el calor cedido a los serpentines (o radiador) refrigerantes exteriores

(en la parte posterior del aparato y que se elimina al ambiente por una circulación de aire (natural o forzada con auxilio de un ventilador, caso de los aparatos de aire refrigerado).

Hay que denotar que la máquina frigorífica se puede utilizar como calentador, como bien se expone en el Ciclo de Carnot. Para ello, basta con hacer que el foco caliente sea la habitación, T1, y el frío el exterior. Es el principo de funcionamiento de la bomba de calor, que es más ventajosa de utilizar que un caldeo por resistencia eléctrica, ya que esta última solamente puede suministrar un calor calculado por equivalente del trabajo que realiza la corriente eléctrica (0.24·I²·R·T), es decir, W, mientras que la bomba de calor proporcionará W+Q2.

Regresando al motor térmico, la evidencia experimental pone de manifiesto que tiene que existir un intercambio de calor del foco caliente al frío. Aun así parece que cuanto menor sea este intercambio más cantidad de calor se transforma en trabajo (según la equivalencia 1 caloría = 4.18 Julios).

El ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot fue el primero que abordó el problema del rendimiento de un motor térmico prescindiendo de los detalles de funcionamiento y enfocó el problema hacia los tres hechos siguientes:

Al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada. El calor realiza trabajo mecánico. El motor cede calor a temperatura inferior.

Con ello, prescindiendo de las mejoras que se pudieran introducir basándose en el proyecto puramente mecánico, así como de las mejoras constructivas, Carnot obtuvo la expresíon del rendimiento máximo de un motor térmico (aunque sirve para cualquier máquina termica) que opera entre dos temperaturas. Si la máqina térmica sigue el ciclo de Carnot, máquina ideal, se pueden substituir los valores de Q1 y Q2 por los valores de T1 y T2 (temperaturas absolutas del foco caliente y del foco frio)en las formulas del rendimiento y de la eficiencia.

El rendimiento, como cociente entre el trabajo útil y la energía puesta en juego para conseguirlo, será:

Según la expresión, el motor térmico tendrá mejor rendimiento cuando el tubo que representa el trabajo obtenido (Q1-Q2) sea lo más ancho posible, y el tubo que representa el calor que sale por el escape (Q2) sea lo más estrecho posible.

En el caso de una máquina ideal:

Motor:

Máquina frigorífica:

Bomba de calor:

Lo que indica que en un motor térmico cuanto mayor sea la temperatura del foco caliente mayor será su rendimiento, y que, en una máquina frigorífica o en una bomba de calor cuanto más próximas sean las temperaturas del foco caliente y del frío mayor será su eficiencia.

Las estrellas del frigorífico

Cuantas más estrellas tenga un frígorífico, mayor capacidad de enfriamiento. Los de cuatro estrellas pueden alcanzar los -30 ºC y los de una estrella, los -6 ºC.

Los refrigeradores de absorción funcionan con electricidad, a gas o aceite, son muy silenciosos, pero menos eficaces.

TIPOS DE MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

a) Máquinas frigoríficas a compresión: Aquella que funciona consumiendo energía mecánica, es el inverso de una máquina térmica.

b) Máquinas frigoríficas a absorción: Aquella que funciona transfiriendo calor simultáneamente calor de la F.C. para la F.F. y que exige operación de dos fluidos distintos.

c) Refrigeración por disolución: Este tipo de refrigeración solo se utiliza para situaciones especiales donde no se puede acudir a la refrigeración convencional

d) Refrigeración por termopares: Este método de lograr frío está siendo utilizado más recientemente para pequeñas neveras que han comenzado a aparecer en el mercado, para uso doméstico.

MÁQUINAS FRIGORÍFICAS DE COMPRESIÓN.

La refrigeración por compresión: tiene por cometido desplazar energía térmica de un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión, con el propósito de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro. La más sencilla de ellas es la refrigeración por compresión mecánica de una etapa.

Un ciclo simple frigorífico comprende cuatro procesos fundamentales:

1. La regulación

2. La evaporación

3. La compresión

4. La condensación

1. La regulación

El ciclo de regulación ocurre entre el condensador y el evaporador, en efecto, el refrigerante líquido entra en el condensador a alta presión y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a través del regulador.

2. La evaporación

En el evaporador, el líquido se vaporiza a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Todo el refrigerante se vaporizada completamente en el evaporador, y se recalienta al final del evaporador.

3. La compresión

Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación es aspirado por el evaporador por la línea de aspiración hasta la entrada del compresor. En el compresor, la presión y la temperatura del vapor aumenta considerablemente gracias a la compresión, entonces al vapor a alta temperatura y a alta presión es devuelto por la línea de expulsión.

4. La condensación: El vapor atraviesa la línea de expulsión hacia el condensador donde libera el calor hacia el aire exterior.Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturación que corresponde a su nueva presión.

El líquido enfriado llega al regulador y está listo para un nuevo ciclo.

El esquema que sigue, representa un sistema de refrigeración de este tipo:

En este sistema se utiliza un compresor mecánico para elevar la presión de un fluido gaseoso especial que funciona como refrigerante, confinado a un sistema cerrado herméticamente.

El fluido comprimido se hace circular por un conducto serpenteante llamado condensador, dotado de aletas donde se enfría y condensa como líquido, al quedar por debajo de la temperatura de condensación según el diagrama de fases para esas condiciones de presión y temperatura.

Una alta resistencia al flujo a la salida del condensador representado por el tubo capilar, frena el libre flujo a través del sistema para permitir, que el compresor eleve la presión suficientemente, como para que se sobrepase la presión necesaria para que el refrigerante condense, a temperatura próxima a la ambiente.

El refrigerante condensado circula como líquido por el conducto capilar y se vierte a otro conducto también tortuoso, de mayor diámetro que el capilar, y con muy baja presión en su interior, debido a la succión del compresor, conocido como evaporador. Ante esas nuevas condiciones el refrigerante se evapora rápidamente, se enfría notablemente, enfriando a su vez el evaporador.

Los vapores producidos en el evaporador, son succionados nuevamente por el compresor y el ciclo se reinicia y mantiene de manera continua hasta alcanzar temperaturas muy bajas en el lado del evaporador.

Como fluidos refrigerante se utilizan frecuentemente, el amoníaco, los freones (12 y 24), algunas mezclas de hidrocarburos y mezclas de hidrocarburos con freones. Los freones son compuestos complejos de flúor y cloro.

La refrigeración consiste en hacer que en una cámara o recinto la temperatura descienda por debajo de la temperatura del medio ambiente, y se mantenga luego a esta baja temperatura. Como ningún recinto o cámara es perfectamente adiabático, para mantener dicho recinto a esa baja temperatura, es preciso extraer calor del recinto continua o al menos intermitentemente.

El funcionamiento se basa en el Ciclo de Carnot explicado en la anterior entrada. Aunque el Ciclo de Carnot es un ciclo ideal y por tanto no se puede llevar a la práctica con el mismo rendimiento.

Diagrama Ph para sistema frigorífico de una etapa por compresión mecánica.

Otra modalidad de evaporación del refrigerante corresponde a un arreglo que permite realizar la vaporización del refrigerante a la salida del evaporador, dando una mayor superficie efectiva a este intercambiador al mantenerlo lleno de líquido y, por consecuente, un mayor rendimiento. No obstante lo anterior no es posible de realizar en todo tipo de sistemas de refrigeración ya que requiere de voluminosas instalaciones anexas y sistemas de bombeo para alimentar a los denominados evaporadores inundados, utilizados generalmente en plantas frigoríficas o cámaras de refrigeración industriales.

Es así como la máquina frigorífica de refrigeración por compresión desplaza la energía entre dos focos; creando zonas de alta y baja presión confinadas en intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de energía se suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de estado; de líquido a vapor, y viceversa.

Unidades de medida

Hay que distinguir, en la potencia, dos magnitudes: potencia absorbida (en energía mecánica, sea con motor eléctrico, con motor de explosión o con turbina) y potencia de enfriamiento o de refrigeración

En el Sistema Internacional de Unidades (SI),la potencia de los equipos frigoríficos se mide en vatios (W) o en múltiplos de sus unidades.

En el Sistema técnico de unidades se utiliza para la potencia de enfriamiento la caloría/hora, aceptada en un anexo del SI, aunque a menudo se llama frigoría/hora que tiene la misma definición que la caloría/hora y la única diferencia es que se emplea para medir el calor extraído, no el aportado.

En la práctica comercial norteamericana, la potencia de refrigeración se mide en "toneladas de refrigeración", o en BTUs.

EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

Un método alternativo de refrigeración es por absorción. Sin embargo este método por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barata, por lo que la producción de frío es mucho más económica y ecológica, aunque su rendimiento es bastante menor.

Este método de refrigeración está reservado casi universalmente a grandes instalaciones comerciales. Fundamenta su uso en el hecho de que algunas sustancias conocidas como absorbedores, tienen gran avidez por absorber vapores de otras, conocidas como refrigerantes, generando la disminución de presión suficiente para la evaporación del refrigerante y el consecuente enfriamiento .En la práctica se usan mas comúnmente los sistemas:

Agua-amoníaco, donde el agua es el absorbedor y el amoníaco el refrigerante.

Bromuro de litio-agua, donde el bromuro de litio es el absorbedor y el refrigerante el agua

El esquema siguiente representa un sistema simplificado de refrigeración de este tipo.

En el dibujo pueden apreciarse tres componentes básicos:

1.  Condensador2.  Evaporador3.  Generador

Supongamos que para este sistema el absorbedor es agua y el refrigerante amoníaco.El agua casi pura que  proviene del generador se inyecta en forma de llovizna dentro de la cámara del evaporador, esta agua absorbe con gran avidez los vapores de amoníaco que están dentro del evaporador, la presión se reduce, generando vacío,  y esto hace que en el lado izquierdo del evaporador donde está siendo inyectado el refrigerante se produzca su evaporación con el consecuente enfriamiento. Un conducto que transporta agua colocado en esa zona proporciona agua helada para ser utilizada como elemento enfriador externo de uso múltiple.El agua con el amoníaco disuelto se acumula en el fondo del evaporador y es bombeada de nuevo al generador. Un calentador externo suministra suficiente calor al agua como para que se produzca una suerte de destilación y se separe el amoníaco el forma de vapores, regenerándose de nuevo el agua casi pura para volverse a utilizar en el proceso.Los vapores de amoníaco generados en el generador de conducen al condensador, entran en contacto allí con un elemento frío representado por el conducto serpenteante y condensan de nuevo a líquido, para ser inyectado de nuevo al evaporador.El conducto tortuoso representado del lado derecho por el que circula agua fresca sirve para enfrían el absorbedor procedente del generador donde ha sido calentado para la separación del amoníaco.Obsérvese que el proceso se realiza de manera continua en un ciclo cerrado sin pérdidas de absorbedor o refrigerante. 

En estos sistemas la energía suministrada es, en primer lugar, energía térmica. El refrigerante no es comprimido mecánicamente, sino absorbido por un líquido solvente en un proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superior mediante una simple bomba. La energía necesaria para aumentar la presión de un líquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energía necesaria para comprimir un gas en un compresor. A una presión superior, el refrigerante es evaporado desorbido del líquido solvente en un proceso endotérmico, o sea mediante calor. A partir de este punto, el proceso de refrigeración es igual al de un sistema de refrigeración por compresión. Por esto, al sistema de absorción y desorción se le denomina también "compresor térmico".

En este sistema de refrigeración  por absorción, al igual que en el de compresión se aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. En el caso de los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad de absorber calor que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, al disolver, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua, respectivamente.

Más en detalle, el refrigerante se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina o incorporándolo a una masa líquida. El resto de componentes e intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de absorción, se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de una manera continúa.

Ciclo de refrigeración por absorción

En los sistemas de refrigeración por absorción se diferencia entre dos circuitos, el circuito del refrigerante entre compresor térmico, condensador y evaporador, y el circuito del solvente entre el absorbedor y el separador. Una ventaja notable de los sistemas de absorción es que el refrigerante no es un fluoroclorocarbono. La mezcla de refrigerante y solvente en aplicaciones de aire acondicionado y para temperaturas mayores a 0°C es agua y bromuro de litio (LiBr). En aplicaciones para temperaturas hasta -60°C es amoniaco (NH 3 ) y agua. Hasta hoy no se han encontrado otras mezclas apropiadas para estas aplicaciones, aunque se están desarrollando sistemas de adsorción , en los que el refrigerante es absorbido en matrices sólidas de ceolitos.

Ventajas e inconvenientes de la refrigeración por absorción

El rendimiento es menor que en el método por compresión (0,8 frente a 5,5 ), sin embargo en algunos casos compensa el que la energía proveniente de una fuente calorífica sea más económica, incluso residual o un subproducto destinado a desecharse. También hay que tener en cuenta que el sistema de compresión, utiliza normalmente la energía eléctrica, y cuando ésta llega a la toma de corriente lo hace con un rendimiento inferior al 25% sobre la energía primaria utilizada para generarla, lo que reduce mucho las diferencias de rendimiento.

Al calor aportado al proceso de refrigeración se le suma el calor sustraído de la zona enfriada. Con lo que el calor aplicado puede volverse a reutilizar. Sin embargo, el calor residual se encuentra a una temperatura más baja (a pesar de que la cantidad de calor sea mayor), con lo que sus aplicaciones pueden reducirse.

Los aparatos son más voluminosos y requieren inmovilidad (lo que no permite su utilización en automóviles, lo que sería muy conveniente como ahorro de energía puesto que el motor tiene grandes excedentes de energía térmica, disipada en el radiador).

Ventajas y desventajas de las sustancias pares en sistemas de absorción

Agua / Bromuro de Litio (LiBr)

Ventajas Inconvenientes

El refrigerante agua tiene una alta capacidad calorífica

El sistema no puede enfriar a temperaturas menores del punto de

congelación de agua

La solución de bromuro de litio no es volátil

El bromuro de litio es solvente en agua sólo limitadamente

Las sustancias no son tóxicas ni inflamables

El vacío demanda una alta impermeabilidad del sistema

Amoniaco (NH3 ) / Agua

Ventajas Inconvenientes

El refrigerante amoniaco tiene una alta capacidad calorífica

Presión muy alta del refrigerante (tuberías más gruesas)

Aplicaciones de temperaturas muy bajas, hasta -60°C

Volatilidad del solvente (es necesaria una rectificación)

Propiedades muy buenas de transferencia de calor y masa

Toxicidad del amoniaco

REFRIGERACIÓN POR TEMOPARES

Este método de lograr frío está siendo utilizado más recientemente para pequeñas neveras que han comenzado a aparecer en el mercado, para uso doméstico.Se basa en la utilización del enfriamiento que se produce en uno de los extremos del termopar, sometido a la circulación de corriente eléctrica continua. Este método de refrigeración se llama con frecuencia refrigeración Peltier en honor a su descubridor.Hasta hace muy poco tiempo el efecto Peltier se utilizaba solo para la fabricación de termopares de medición y en algunos casos para la producción de electricidad a baja escala en aplicaciones especiales, pero con el desarrollo de cerámicas semiconductoras capaces de generar frío considerable al circular por ellas la electricidad, se ha abierto un nuevo capítulo en el uso del efecto Peltier en la construcción de refrigeradores, capaces de competir con los tradicionales.Un típico elemento refrigerador Peltier se muestra en la figura siguiente.

Este dispositivo funciona como bomba de calor entre dos placas, de manera que absorbe calor por una, enfriando el ambiente que le rodea, y lo disipa por la otra. El efecto final es, que una placa se enfría y la otra se calienta.Estas placas están unidas por cerámicas semiconductoras especiales que tienen un marcado efecto Peltier. Cuando se hace circular corriente continua en una dirección, el calor se transporta de una placa a la otra, como se muestra, pero si se invierte la polaridad, se invierte también la dirección del tránsito del calor.Esta posibilidad de intercambiar la placa fría y caliente, hace que las neveras construidas con refrigeración Peltier, funcionen lo mismo como calentadores que como refrigeradores con solo invertir la polaridad de la alimentación eléctrica.

Un esquema de como se utiliza en la realidad los refrigeradores Peltier se muestra el el dibujo siguiente:

El refrigerador Peltier se coloca adherido a la pared de la cámara refrigeradora, y está provisto de dos ventiladores, uno del lado caliente y otro del lado frío, que fuerzan el aire circundante a través de respectivos bloques de aletas que están extrayendo el frío o el calor del elemento Peltier. Estos ventiladores distribuyen a la cámara refrigerada, o al ambiente el calor o el frío, en cada caso.  Una capa de aislamiento impide el libre tránsito de calor entre una y otra placa.

REFRIGERACIÓN POR DISOLUCIÓN

Este tipo de refrigeración solo se utiliza para situaciones especiales donde no se puede acudir a la refrigeración convencional, por ejemplo, por carencia de electricidad.Este método se basa en la capacidad que tienen algunas sales de enfriar notablemente la disolución, cuando se disuelven en un líquido como por ejemplo el agua, o en otros casos cuando entran como un segundo elemento al diagrama de fases moviendo a un valor mas bajo la temperatura de fusión de un sólido, tal como el hielo.Un ejemplo de la primera aplicación que puede servir para enfriar bebidas sin electricidad, se logra disolviendo suficiente cantidad de nitrato de amonio, en el agua donde se han sumergido las bebidas. El segundo caso fue muy utilizado y aun se utiliza cuando se elaboran helados caseros por métodos tradicionales, y consiste en la adición de sal común en granos (sal gruesa o sal gema), al agua de las conocidas sorbeteras. Esta adición de sal, baja notablemente la temperatura de la mezcla de agua e hielo que rodea a la cuba de mezclado, la que de cualquier otra forma no podría ser nunca menor que cero grados celsius (punto de fusión de hielo a presión normal).

ANEXOS

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es una máquina térmica reversible, y un ciclo de Carnot invertido es un refrigerador o una bomba de calor

Vamos a examinar primero las etapas del ciclo de Carnot:

Ciclo de Carnot es un ejemplo de un ciclo reversible. Debe su nombre al ingeniero francés Nicolas Sadi Carnot (1769-1832). ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles: 2 adiabáticas y 2 transferencias de calor reversible isotérmica:

1- isotérmica adición de calor reversible a temperatura alta, T H> T L para el fluido de trabajo en un dispositivo cilindro-pistón que hace algún trabajo de frontera.

2-

expansión adiabática reversible durante el cual el sistema no funciona cuando la temperatura disminuye el fluido de trabajo de T H T L.

3- El sistema se pone en contacto con un foco térmico a T L T <H y una isoterma de intercambio de calor reversible tiene lugar mientras que el trabajo de compresión se realiza en el sistema.

4- Un proceso de compresión adiabática reversible aumenta la temperatura del fluido de trabajo de T L a T H The area inside the figure represents the work El área dentro de la figura representa el trabajo

CICLO DE CARNOT INVERTIDO

Como se mencionó anteriormente invertido ciclo de Carnot es un refrigerador o una bomba de calor. El esquema de invertir ciclo de Carnot se muestra en la figura:

1. El refrigerante absorbe el calor isotérmicamente desde una fuente de baja temperatura a T L en la cantidad de Q L en el proceso (2-3).

2. El refrigerante se comprime adiabáticamente hasta el estado 4, y su temperatura se eleva a T H.

3. A continuación, el calor es rechazado isotérmicamente a una temperatura alta del fregadero a los T H en la cantidad de Q H en el proceso (4-1).

4. Por último, el refrigerante se expande adiabáticamente hasta el estado 2, donde la temperatura desciende a T L.

Un refrigerador toma el calor de un cuerpo frío y entrega el calor al cuerpo a una temperatura más alta. Este proceso claramente no puede ocurrir de forma espontánea, ya que esto implica que el calor puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, algo que nunca se ha observado, y que violaría la segunda ley. Un objeto que está más fresco que su entorno se encuentra en un estado de entropía baja en comparación con el medio ambiente. Por lo tanto para mantener un cuerpo más frío que la temperatura de su entorno ambiental de que tenemos que hacer constantemente el trabajo. Todos sabemos que este es el caso de la experiencia cotidiana: si se apaga el aire acondicionado, la sala de pronto se calienta. La razón es que la célula se mantiene en un estado de baja entropía en comparación con su entorno constantemente haciendo el trabajo, y de ahí la necesidad de un organismo vivo a consumir regularmente alimentos.

El refrigerador es más eficiente, como se puede adivinar, una reversible en el que todos los procesos que tienen lugar son reversibles, y que da lugar a ningún aumento en la entropía del sistema en su conjunto. TE. Supongamos que el foco frío C a la temperatura T C, de la que extrae el calor del refrigerador de la cantidad Q C (y haciendo trabajo W), y las descargas de calor Q E para el medio ambiente en E TE temperatura. Un refrigerador reversible es aquel al que el cambio total de entropía en un ciclo completo es cero. Desde DELTA.S = 0, tenemos

Entropía perdida por el cuerpo frío = Entropía adquirida por el medio ambiente

=> S lost by C = S gained by E => S perdidos por C = S adquirida por E

=> Q C /T C = Q H /T H => C Q / C, T = H Q / H T

=> Q E = (T E /T C )Q C > Q C => E = Q (E T / C) Q C Q> C

Ya que el calor emitido al medio ambiente Q E es mayor que C, Q, necesariamente tenemos que hacer un trabajo en el sistema para generar el calor extra que se requiere por la segunda ley. Deje que el trabajo realizado sobre el sistema sea W> 0, por lo que tenemos de conservación de la energía que

Q E = Q C +W > Q C Q E = Q C + W> Q C

En otras palabras, para mantener frío el refrigerador, se toma calor Q C de la nevera, añadir que el calor igual a la cantidad de trabajo W para, a continuación, la descarga de la cantidad de calor Q E para el medio ambiente - que es el mínimo de calor que es requerido por la segunda ley.

Desde el refrigerador es reversible, el trabajo W que hacemos es la mínima cantidad de trabajo requerido para lograr DELTA.S = 0. Al igual que un motor térmico, la eficiencia de un refrigerador, llamado K, el coeficiente de rendimiento (K es también denotado como CP), viene dado por la cantidad de calor extraído por importe unitario de trabajo. Eso es

K = Q C /W K = Q C / W

Dado que E = W Q - Q C (a partir de la primera ley (conservación de la energía)), tenemos lo siguiente:

K = Q C /( Q E – Q C ) K = Q / C (Q E - Q C)

Por lo tanto para un refrigerador reversible, su eficacia está dada por

K = T C /( T E – T C ) K = T / C (T E - C T)

A diferencia de la eficiencia de un motor de calor donde es menor que 1, tenemos que el coeficiente de rendimiento de un refrigerador K> 1.

En un refrigerador doméstico, el valor de K ≈ 5, y para los acondicionadores de aire es alrededor de 2 - 3. La razón de que K no se pueden hacer infinitamente grande es una consecuencia de la segunda ley, ya que este caso implicaría que el calor entonces el flujo de un cuerpo frío a un cuerpo caliente sin ningún tipo de trabajo que se realiza.

La refrigeración por compresión de vapor

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor tiene cuatro componentes: el evaporador, un compresor, el condensador, y la expansión (o gas) de la válvula. El ciclo de refrigeración más utilizado es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. En un ciclo de refrigeración ideal por compresión de vapor, el refrigerante entra al compresor como un vapor ligeramente sobrecalentado a baja presión.

A continuación, sale del compresor y entra en el condensador en forma de vapor a una presión elevada, donde el refrigerante se condensa en forma de calor se transfiere al agua de refrigeración o de los alrededores.

El refrigerante entonces sale del condensador como líquido a alta presión. La presión del líquido se reduce a medida que fluye a través de la válvula de expansión, y como resultado, algunos de los destellos líquidos en vapor frío. El líquido restante, ahora en una baja presión y temperatura, se evapora en el evaporador en forma de calor se transfiere desde el espacio refrigerado. Este vapor se vuelve a entrar en el compresor.

El refrigerante entra en el compresor de refrigeración por compresión de vapor-específicamente tienen dos ventajas adicionales. En primer lugar, aprovechar la gran energía térmica necesaria para cambiar un líquido a vapor para que podamos eliminar gran cantidad de calor fuera de nuestro espacio con aire acondicionado.

En segundo lugar, la naturaleza isotérmico de la vaporización permite la extracción de calor sin aumentar la temperatura del fluido de trabajo a la temperatura de lo que se está enfriando. Este es un beneficio porque cuanto más cerca de la temperatura del fluido de trabajo se acerca a la del entorno, menor será la tasa de transferencia de calor.

El proceso isotérmico permite la mayor velocidad de transferencia de calor. El ciclo funciona a dos presiones, phigh y Arado, y el statepoints están determinados por las necesidades de refrigeración y las propiedades del fluido de trabajo. La mayoría de los refrigerantes están diseñados para que tengan una presión de vapor relativamente alta en las temperaturas típicas de aplicación para evitar la necesidad de mantener un vacío importante en el ciclo de refrigeración.

El ciclo ideal de compresión de vapor se compone de cuatro procesos.

Ideal por compresión de vapor de ciclo de refrigeración

Descripción del proceso

1. isentrópico de compresión 2. La presión constante rechazo de calor en el condensador 3- Limitación de una válvula de expansión 4- La presión constante adición de calor en el evaporador

El diagrama Ph es otro esquema conveniente utiliza a menudo para ilustrar el ciclo de refrigeración.

El refrigerador doméstico común es un buen ejemplo de la aplicación de este ciclo

Real por compresión de vapor de ciclo de refrigeración

Sistemas de refrigeración en cascada Temperaturas muy bajas pueden ser alcanzados por operar dos o más sistemas de compresión de vapor en serie, llamada en cascada. La Conferencia de las Partes de un sistema de refrigeración también aumenta como consecuencia de la cascada.

De varias etapas de sistemas de refrigeración de compresión

De usos múltiples sistemas de refrigeración Un refrigerador con un solo compresor puede proporcionar refrigeración a diferentes temperaturas por el estrangulamiento del refrigerante en las etapas

La licuefacción de los gases Otra forma de mejorar el rendimiento de un sistema de refrigeración por compresión de vapor es el uso de la compresión multietapa con refrigeración regenerativa. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor también se puede utilizar para licuar gases después de algunas modificaciones.

Sistemas de refrigeración de gas Los ciclos de potencia se pueden utilizar como los ciclos de refrigeración con sólo invertir. De estos, el ciclo Brayton invertido, que también se conoce como el ciclo de refrigeración de gas, se utiliza para enfriar las aeronaves y obtener muy bajas (criogénicas) temperaturas después de que se modifica con la regeneración. El resultado del trabajo de la turbina se puede utilizar para reducir los requisitos de entrada de trabajo para el compresor. Así, la Conferencia de las Partes de un ciclo de refrigeración de gas

Absorción de sistemas de refrigeración Otra forma de refrigeración que resulta económicamente atractivo cuando hay una fuente barata de energía térmica a una temperatura de 100 a 200 ° C es de refrigeración por absorción, donde se absorbe el refrigerante por un medio de transporte y se comprime en forma líquida. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoníaco sirve como refrigerante y agua como medio de transporte. La entrada de trabajo a la bomba es generalmente muy pequeña, y la Conferencia de las Partes de los sistemas de refrigeración por absorción se define como

Sistemas de refrigeración termoeléctrica Un efecto de refrigeración también se puede lograr sin el uso de las piezas en movimiento simplemente pasando una pequeña corriente a través de un circuito cerrado formado por dos materiales diferentes. Este efecto se conoce como efecto Peltier, y un refrigerador que funciona en este principio se llama un refrigerador termoeléctrico.

El dispositivo termoeléctrico, como los termopares convencionales, utiliza dos materiales diferentes. Hay dos cruces entre estos dos materiales en un refrigerador termoeléctrico. Uno se encuentra en el espacio refrigerado y el otro en un entorno de temperaturas. Cuando una diferencia de potencial se aplica, como se indica, la temperatura de la unión situado en el espacio refrigerado disminuirá y la temperatura de la unión de otros aumentará.

En condiciones de funcionamiento en estado estacionario, el calor se transfiere desde el espacio refrigerado a la unión fría. La unión otros estar a una temperatura por encima de la ambiente, y el calor se transfiere de la unión con el entorno. Un dispositivo termoeléctrico también puede ser utilizado para generar energía mediante la sustitución del espacio refrigerado con un cuerpo que está a una temperatura por encima de la ambiente.

Aire acondicionado

Un acondicionador de aire utiliza un material llamado "líquido de funcionamiento" para transferir el calor desde el interior de un espacio para actividades al aire libre. El fluido de trabajo es un material que se transforma fácilmente de un gas a líquido y viceversa en un amplio rango de temperaturas y presiones. Esto mueve el líquido de funcionamiento a través de tres componentes principales del aire acondicionado, el compresor, el condensador y el evaporador en un ciclo continuo.

El fluido de trabajo entra en el evaporador en el interior de la habitación como un líquido de baja presión en la temperatura del aire alrededor de afuera.

(1) El evaporador es normalmente un tubo con forma de serpiente. El líquido de inmediato comienza a evaporarse y se expande en un gas. Al hacerlo, usa su energía térmica para separar sus moléculas entre sí y se vuelve muy frío. El fluido de trabajo sale del evaporador como gas de baja presión un poco por debajo de la temperatura ambiente y se dirige hacia el compresor.

2) entra en el compresor como un gas de baja presión más o menos a temperatura ambiente. El compresor comprime las moléculas de este gas más juntos, aumentando la densidad del gas y la presión. Desde apretando un gas implica un trabajo físico, la energía del compresor transferencias al fluido de trabajo y que el líquido se calienta. El fluido de trabajo sale del compresor como un gas de alta presión muy por encima de la temperatura del aire exterior.

(3) El fluido de trabajo a continuación, entra en el condensador en el exterior, que normalmente es un tubo con forma de serpiente. Como el líquido es más caliente que el aire circundante, el calor fluye del líquido y en el aire. El líquido comienza a condensarse en un líquido y se renuncia a la energía térmica adicional a medida que se condensa.

Esta energía térmica adicional también fluye en forma de calor en el aire exterior. El fluido de trabajo sale del condensador como líquido de alta presión en la temperatura del aire alrededor de afuera

(4) A continuación, fluye a través de un estrechamiento en la tubería en el evaporador. Cuando el fluido pasa por el estrechamiento en la tubería, es baja la presión y entra en el evaporador como líquido a baja presión.. El ciclo se repite. En general, el calor se ha extraído de la sala y entregado al aire exterior. El compresor consume energía eléctrica durante este proceso y que la energía también se convierte en energía térmica en el aire exterior.

El coeficiente máximo de este tipo de acondicionador de aire es el máximo E = T

habitación / (T exterior - sala de T).