TERMODINMICA

Unidad 05

Ing. Eder Vicua Galindo

Refrigeracin

La refrigeracin es un proceso termodinmico, donde se extrae el calor de un cuerpo o espacio (bajando as su temperatura), el que es llevado a disiparse en el ambiente u otro lugar.

Los fluidos utilizados para extraer la energa del espacio o cuerpo a ser enfriado, son llamados refrigerantes, los cuales tienen la propiedad de evaporarse a bajas temperaturas y presiones positivas.

Ciclo de refrigeracin

Ciclo ideal de refrigeracin por

compresin de vapor

El refrigerante de evapora y se condensa alternadamente

para luego comprimirse en la fase de vapor. Est

compuesto por 4 procesos:

Compresin isentrpica en un compresor.

Disipacin de calor a presin constante en un

condensador.

Estrangulamiento en un dispositivo de expansin.

Absorcin de calor a presin constante en un

evaporador.

Ciclo ideal de refrigeracin por

compresin de vapor

Evaporador

Condensador

Vlvula de expansin Compresor

Ambiente fro

Ambiente caliente

1

2

3

4

4

s

T

2

1

3

Vapor saturado

Lquido saturado

Ciclo ideal de refrigeracin por

compresin de vapor COP El COP (Coefficient Of Performance), el

Coeficiente de Rendimiento, se define para un ciclo

de refrigeracin como:

Esto es el calor absorbido de la cmara fra de un

refrigerador dividido entre el trabajo efectuado por

el compresor. Si el ciclo de refrigeracin se

comportase como uno equivalente al de Carnot,

entonces:

s

LR

W

QCOP

LH

LCarnotR

TT

TCOP

,

Ciclo ideal de refrigeracin por

compresin de vapor

4

2

1

3

P

h

Ciclo real de refrigeracin

por compresin de vapor

Difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes.

Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la friccin del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

El proceso de compresin real incluye efectos de friccin, los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropa dependiendo del sistema usado.

Refrigerante

Un 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.

Refrigerante - Propiedades

Su punto de congelacin debe ser inferior a

cualquier temperatura que exista en el sistema,

para evitar congelacin.

Su calor especfico debe de ser lo ms alto

posible para que una pequea cantidad

absorba una gran cantidad de calor.

El volumen especfico debe de ser lo ms bajo

posible para evitar grandes tamaos en lneas

de aspiracin y compresin

La densidad debe ser elevada para usar lneas

de lquidos con dimetros pequeos.

Refrigerante Propiedades

La temperatura de condensacin, a la

presin mxima de trabajo debe ser la

menor posible.

La temperatura de ebullicin debe ser

relativamente baja a presiones cercanas

a la atmosfrica.

Punto crtico lo ms elevado posible.

No [deben] ser lquidos inflamables,

corrosivos ni txicos

Refrigerante Tipos

Por su composicin qumica:

Los inorgnicos, como el agua o el Amonaco

(NH3).

Los de origen orgnico (hidrocarburos y

derivados):

Los CFC's, Clorofluorocarbonos, perjudiciales

para la capa de ozono

Los HCFC's.Hidrocloroflurocarbonados

Los HFC's.

Los HC: Hidrocarburos (alcanos y alquenos)

Las mezclas, azeotrpicas o no azeotrpicas

Refrigerante Tipos

Por su grado de seguridad : GRUPO 1: no son combustibles ni txicos.

GRUPO 2: txicos, corrosivos o explosivos a concentraciones mayores de 3,5% en volumen mezclados con el aire.

GRUPO 3: txicos, corrosivos o explosivos a concentraciones menores o iguales a 3,5% en volumen.

Refrigerante Tipos

Por sus presiones de trabajo: Baja

Media

Alta

Muy alta

Refrigerantes comnmente usados

El agua.

El amonaco o R717.

El Glicol

R11, R12, R22, R23, R32.

R123, R124, R134a.

R407C, R410A.

R502, R507, R517.

Refrigeracin de los alimentos

Significa el almacenamiento de alimentos en

un rango de temperaturas de generalmente 0 a

5 C.

La velocidad de reproduccin de los

microorganismos es considerablemente ms

baja.

Mediante la refrigeracin del producto la vida

til es incrementada.

Es esencial que la cadena de fro se mantenga

lo ms continua posible.

Cadena de fro

Refrigeracin o congelacin

Almacenamiento in situ

Transporte

Almacenamiento mayorista

Transporte

Almacenamiento minorista

Exhibicin de venta

Transporte y almacenamiento por el consumidor

Ejemplo

En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a

como fluido de trabajo, y opera en un ciclo ideal

de refrigeracin por compresin de vapor entre

0,14 y 0,8 Mpa. Si el flujo msico del refrigerante

es 0,05 kg/s, determine :

a) La tasa de eliminacin de calor del espacio

refrigerado.

b) La entrada de potencia al compresor.

c) La tasa de rechazo de calor al ambiente.

d) El COP del refrigerador

Ejemplo

4

s

T

2

1

3

0,80 MPa

0,14 MPa

Ejemplo

Para resolver este tipo de problemas,

haremos uso del balance de energa para

sistemas abiertos, dado que es as como

trabajan cada etapa del proceso

termodinmico cclico del refrigerante.

Donde los cambios de energa cintica y

potencial se desprecian.

spk WQEEH

Ejemplo

a)

h1 = hg (0,14 MPa) = 239,16 kJ/kg

h4 = h3 = hf (0,80 MPa) = 95,47 kJ/kg

b)

h2 = h [0,8 MPa; s2 = s1 = sg (0,14 MPa)]

= h (0,8 MPa;

h1 = 239,16 kJ/kg

41 hhmQL

kW 18,7kg

kJ47,9516,239

s

kg05,0 LQ

12 hhmW

K kg

kJ 94456,0

kW 81,1kg

kJ16,23939,275

s

kg05,0 W

Ejemplo

c)

Tambin puede ser determinado de

d)

Es decir, este refrigerador elimina 4 unidades de energa

trmica del espacio refrigerado por cada unidad de

energa elctrica que consume.

kW 0,9kg

kJ47,9539,275

s

kg05,032 hhmQH

kW 99,881,118,7 WQQ LH

97,3kW 1,81

kW 7,18

12

41

hh

hh

W

QCOP LR

Ejemplo

Amonaco, en un proceso de refrigeracin, soporta

un proceso a presin constante de 2,5 bar y T =

30C hasta la condicin de lquido saturado.

Determine el trabajo hecho por el proceso, en

kJ/kg de refrigerante.

s1

h1

P2 = 2,5 bar

T2 = 30C

s2 = s1

Proceso

Entropa constante

Estado 1 Estado 2

W, kJ/kg?

Ejemplo

4

s

T

T2 = 30C

P23 = 2,5 bar

2

1

3

Ejemplo

Para un proceso de refrigeracin como ciclo

termodinmico el trabajo de eje solo se da en la etapa

12. De tablas termodinmicas del amonaco se

obtiene para el estado 2, vapor sobrecalentado:

h2 = 1529,0 kJ/kg

Para el estado 1, saturacin, se cumple que s1 = s2,

donde s2 = 5,8861 kJ/kg-K:

T, C -38 T1 -36

s, kJ/kg-K 5,9196 5,8861 5,8831

h, kJ/kg 1391,94 h1 1395,03

Ejemplo

Luego

s = = = 2 1

s = 21= (1529,01394,8) kJ/kg

= 134,2 kJ/kg

Ejemplo

El refrigerante 134a es el fluido de trabajo en un ciclo

de refrigeracin por compresin de vapor ideal que se

comunica trmicamente con una regin fra a 0C y

con una regin caliente a 26C. Entra vapor saturado

del lquido compresor a 0C y lquido saturado sale del

condensador a 26C. La tasa de flujo de masa del

refrigerante es 0,08 kg/s. Determine (a) la potencia del

compresor, en kW, (b) la capacidad de refrigeracin, en

toneladas, (c) el coeficiente de rendimiento, y (d) el

coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeracin

de Carnot que opera entre las regiones clidas y fras a

26 y 0C, respectivamente.

Ejemplo

Evaporador

Condensador

Vlvula de expansin Compresor

Ambiente fro, TL = 0C

Ambiente caliente, TH = 26C

1

2

3

4

4

s

T

2

1

3

0C

26C a

A la entrada al compresor, el refrigerante es un vapor saturado a 0C, por lo que h1 = 247,23

kJ/kg y s1 = 0,9190 kJ/kg-K.

El estado 2 se fija por P2 = 6,853 bar y s2 = s1 = 0,9190 kJ/kg-K, dando h2 = 264,70 kJ/kg.

El estado 3 es un lquido saturado a 26C, as que h3 = 85,75 kJ/kg.

La expansin a travs de la vlvula es un proceso de estrangulacin, por lo que, h4 = h3.

a)

Ejemplo

12 hhmW

b) La Capacidad de Refrigeracin

c)

d)

41 hhmQL

ton67,3kJ/min 211

ton1

kg

kJ75,8523,247

min

s 60

s

kg08,0 LQ

kW 4,1kg

kJ23,24770,264

s

kg08,0 sW

Ejemplo

5,10

K 0-26

K 273,

LH

LCarnotR

TT

TCOP

24,9247,23-264,7

85,75-247,23

12

41

hh

hh

W

QCOP

s

LR

El ciclo de compresin de vapor ideal tiene un

menor COP que un COP de Carnot entre las

temperaturas de las regiones calientes y fras. El

valor ms pequeo se puede atribuir a los

efectos de la irreversibilidad externa asociada

con el descalentamiento del refrigerante en el

condensador (etapa 2a) y la irreversibilidad

interna en el proceso de estrangulacin.

Ejemplo

Modificando el problema anterior para permitir

diferencias de temperatura entre el refrigerante y las

regiones clidas y fras de la siguiente manera: Entra

vapor saturado al compresor a -10C. Lquido saturado

abandona el condensador a una presin de 9 bar.

Determinar para el ciclo de refrigeracin por

compresin de vapor modificado (a) la potencia del

compresor, en kW, (b) la capacidad de refrigeracin, en

ton, (c) el coeficiente de rendimiento. Comparar los

resultados con los del problema anterior.

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento

4

s

T

-10C

P23 = 9 bar

2

1

3

0C

26C

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento

1. Cada componente del ciclo se analiza como un

volumen de control en estado estacionario.

2. Excepto para el proceso a travs de la vlvula de

expansin, isoentlpico, todos los procesos del

refrigerante son internamente reversibles.

3. El compresor y la vlvula de expansin operan

adiabticamente. 4. Los efectos de las energas cintica y potencial son

despreciables.

5. Vapor saturado entra al compresor, y lquido saturado

sale del condensador.

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento

A la entrada al compresor, el refrigerante es un vapor saturado a -10C, por lo que h1 = 241,35

kJ/kg y s1 = 0,9253 kJ/kg-K.

El estado 2 se fija por P2 = 9 bar y s2 = s1 = 0,9253 kJ/kg-K, dando h2 = 272,39 kJ/kg.

El estado 3 es un lquido saturado a 9 bar, as que h3 = 99,56 kJ/kg.

La expansin a travs de la vlvula es un proceso de estrangulacin, por lo que, h4 = h3.

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento

a)

b) La Capacidad de Refrigeracin

41 hhmQL

ton23,3kJ/min 211

ton1

kg

kJ56,9935,241

min

s 60

s

kg08,0 LQ

12 hhmW

kW 48,2kg

kJ35,24139,272

s

kg08,0 sW

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento

c)

Comparando los resultados del presente ejemplo con los

del ejemplo anterior, notamos que la entrada de energa

requerida por el compresor es mayor en el presente caso.

Por otra parte, el coeficiente de rendimiento es ms

pequeo en este ejemplo que en el anterior. Esto ilustra

la influencia considerable en el rendimiento de la

transferencia de calor irreversible entre el refrigerante y

las regiones fras y calientes.

57,4241,35-272,39

99,56-241,35

12

41

hh

hh

W

QCOP

s

LR

Teniendo en cuenta el efecto de

Transferencia Irreversible de Calor

en el rendimiento