TEMA 5. MAQUINA FRIGORIFICA Y BOMBA DE CALOR

1. Mquina frigorfica

1.1 Principio de funcionamiento

1.2 Constitucin

1.3 Ciclo terico

1.4 Esquema general

1.5 Aplicaciones

2. Bomba de calor

2.1 Constitucin y principio de funcionamiento

2.2 Rendimiento

2.3 Temperatura y transferencia de calor

3. Tipos de bombas de calor

3.1 Bomba de calor agua-agua

3.2 Bomba de calor aire-aire

3.3 Otros tipos

4. Sistemas frigorficos domsticos

Los frigorficos actuales

INTRODUCCIN, RECORDATORIO

El calor?

Forma de E

E100% Q Q?% E

Unidad de Energa

SI julio(J)

Para el Q calora (cal)

4,18 J = 1 cal

Escala Kelvin

0K cero absoluto

0-100C fusin-ebullicin

T (K) = t(C)+273

Condensacin

gaslquido

Carnot, ciclo

La transformacin de Q en W solo es posible entre dos fuentes de calor a diferente T

Kelvin

Q2/Q1 = T2/T1

1er principio termodinmica

Independientemente del mtodo para covertir Q en W o a la inversa, existe una relacin cte entre el W desarrollado y el Q consumido

Esta relacin es el equivalente mecnico A

A= 4,18J/cal

A= 864 kcal/kWh

1. MQUINA FRIGORFICA

Una mquina frigorfica es cualquier dispositivo capaz de hacer descender la T de un determinado objeto o lugar para hacerla inferior a la de su entorno.

Una mquina frigorfica se base en el Segundo Principio de la Termodinmica, segn el cual es imposible extraer todo el calor de un foco frio T2 y cederlo todo a un foco caliente T1 sin recibir un trabajo adicional exterior.

El fro se produce por evaporacin de un fluido refrigerante, son sustancias que al cambiar de estado por evaporacin o condensacin segn determinadas T y/o P, ceden o absorben Q.

Ex: agua, amonaco, SO2, CO2, propano, butano, freones, CFC, R134A

1.2 Constitucin

Las mquimas frigorficas ms habituales son las de compresin: compresor, condensador, sistema de expansin y evaporador.

El fluido es comprimido, Pon, W, para facilitar la condensacin

En el condensador se enfra cediendo Q1, pasando a lquido.

Expansin, la vlvula de expansin baja la presin hasta igualar la del evaporador, esto provoca T del fluido.

Evaporacin, el fluido se evapora y al efectuar el cambio de estado coge una cantidad de calor Q2 del recinto.

El fluido recupera las condiciones iniciales y comienza nuevo ciclo en el compresor.

1.3 Ciclo terico

De igual manera que en los motores trmicos las mquimas frigorficas siguen un ciclo P-V.

A-B, compresin el V desde V1 a V2 y la Pon de P1 a P2. Para ello recibe W, del compresor.

B-C, condensacin, a P=cte el V desde V2 a V3 y se cede una cantidad de Q1 al foco caliente.

C-D, expansin, el V desde V3 a V4 y la Pon de P2 a P1.

D-A, evaporacin, a P=cte el V desde V4 a V1 y absorbe una cantidad de Q2 al foco fro.

Rendimiento (efecto frigorfico):

ef (fg) = Q2 / A W = Q2 / Q1-Q2 = 1 / Q1/(Q2-1)

frigora (fg) 1fg=-1kcal

1.4 Esquema general

Sistema frigorfico: compresor, condensador, acumulador con vlvula de expansin y evaporador.

El compresor es movido por un motor de arrastre que consume la energa W que se aporta al sistema, comprime el fuido R V, P y T, facilita la circulacin del fluido en el circuito. Curva A-B.

En el condensador R pasa a lquido y se enfra cediendo Q1. Curva B-C.

En el acumulador o depsito se almacena el R y desde all se alimenta al evaporador a travs de la vlvula de espansin, Pon de P2 a P1, V. Curva C-D. La vlvula de expansin suele ser un tubo capilar donde se produce la expansin.

En el evaporador, el fluido se evapora y al efectuar el cambio de estado coge una cantidad de calor Q2 del frigorgico.

El fluido recupera las condiciones iniciales y comienza nuevo ciclo en el compresor.

1.5 Aplicaciones

Industria alimentaria, almacenar y conservar mediante la refrigeracin o la congelacin.

La distribucin de artculos perdurables en vagones o camiones frigorficos.

En el acondicionamiento del aire en edificios.

En la refrigeracin domstica de las neveras o congeladores.

En medicina para refrigerar los rganos que se transplantan (hipotrmia).

2. BOMBA DE CALOR

Es una mquima capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un espacio determinado, funciona en el sentido inverso a una frigorfica, en este caso con efecto calorfico en el condensador.

El circuito es el mismo que en la frigorfica: compresor, condensador, sistema de expansin y evaporador.

Se utiliza optimamente cuando:

Se tiene un foco fro a T y cte.

Se quiere una fuente de calor a T no muy elevada como un hogar.

Se dispone de una fuente de E para el compresor: EE, gas, gasolina, gasoil.

Ventaja: con la inversin del circuito se obtiene fro y calor con la misma mquina.

2.2 Rendimiento

= Ptil / Pabs

COP = = Etil / Eabs

COP: coeficiente de eficienca energtic ( 2 a 3 =eficaz)

Etil = calor condensador

Eabs = energa consumida del compresor

COP = = Q1 / A W

Q1= Q2 + A W

COP = = 1 + Q2 / A W > 1

2.3 Temperatura y transferencia de calor

El rendimiento tambin se puede calcular en funcin de las temperaturas:

COP = = Q1 / AW

Q1= Q2 + AW

COP = = 1 + Q2 / AW > 1

= Q1 / (Q1 Q2) = T1 / (T1 T2) = 1 / (1-T2/T1)

Clculo de la calor transferida en funcin de la temperatura.

Datos iniciales: T1 , T2 y W

Para obtener: Q1 y Q2

Q1= A W (T1 / T1-T2)

Q2= A W (T2 / T1-T2)

3. TIPOS DE BOMBAS DE CALOR

Se clasifican segn el medio (donde se hace el intercambio de Q) en que est en contacto el condensador y el evaporador:

3.1 Bomba de calor agua-agua

Se utiliza en los sistemas de AA de ventana:

3.2 Bomba de calor aire-aire

Son las bombas de calor suelo-aire y suelo-agua que utilizan como foco fro el suelo.

Normalmente las bombas de calor incorporan una vlvula reversible (4 vas) con la cual se intercambian las funciones del condensador y el evaporador, segn sea verano o invierno. Aplicaciones...

Ventaja econmica frente al gas...

3.3 Otros tipos de bomba de calor

4. SISTEMAS FRIGORFICOS DOMSTICOS

Para la conservacin de alimentos:

Neveras de hielo (EEUU), con un bloque de hielo en la parte superior de un armario de madera o chapa recubierta interiormente con corcho.

Neveras de amonaco lquido, en lugar del hielo, hace de fluido R, dado su T ebullicin -330C al evaporarse absorbe calor.

Neveras con compresor para retornar el fluido a lquido.

4.1 Los frigorficos actuales

Compuestos por: unidad compresora, condensador, el expansor, el filtro secador y el evaporador.

Unidad compresora: compresor + motor elctrico.

Su funcin es la de comprimir el R evaporadoReduce la presin en la zona de baja presin (evaporador) y la aumenta en la zona de alta (condensador)

Tipos: alternativos y rotativos.

Condensador, forma de serpentn en la espalda de la nevera con enrejado metlico donde se disipa la Q.

El expansor: tubo capilar de cobre de int 0,7-1,2 mm, a la entrada del evaporador. Regula la entrada del gas y provoca la de Pon.

Filtro secador: elimina humedad e impurezas.

El evaporador: en el interior (entre cavidad frigo y congelador). El R entra a Pon en estado lquido y sale a Pon en estado vapor, absorbiendo Q.

VIDEOS:

Reemplazo de refrigerante (componentes frigo):http://youtu.be/GAUFvx_ac2Q

Carga de gas, circuito animado:

http://youtu.be/jhtLCNqR-QI

Nevera por dentro, ciclo:

http://youtu.be/O2aBaMSpHdo

Funcionamiento de una nevera paso a paso con grficos:

http://youtu.be/zQHqa7tpAIY

Principios de refrigeracin (forofrio.com) despiece de compresor:

http://youtu.be/WICz9eXJ3fE

Ms sobre funcionamiento de una nevera (forofrio.com):

http://youtu.be/fUSgEcc2UVs