Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN) Mecánica de Fluidos y Termodinámica (ITN) TD. T6.- Ciclos de Refrigeración

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1 Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN) Mecánica de Fluidos y Termodinámica (ITN) TD. T6.- Ciclos de Refrigeración Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes Departamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RENEDO Despachos: ETSN 36 / ETSIIT S Tlfn: ETSN / ETSIIT Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN) Mecánica de Fluidos y Termodinámica (ITN) TD. T6.- Ciclos de Refrigeración Objetivos: En este tema se describen los principales métodos de producción de frío industrial (compresión y absorción), y sus ciclos termodinámicos de funcionamiento El tema se complementa con una práctica de simulación por ordenador de ciclos de refrigeración de compresión y absorción

2 1.- Introducción.- Refrigeración por compresión 3.- Refrigeración por absorción 4.- Bombas de calor 5.- Otros ciclos de refrigeración Q 1.- Introducción ; Son máquinas térmicas inversas W Son ciclos en los que Q va de T a T Necesita el aporte de energía (compresor, calor, ) Interviene un fluido, refrigerante, sufre transformaciones termodinámicas controladas Cada refrigerante tiene un diagrama con sus propiedades termodinámicas Además de compresión y absorción existen otros sistemas (marginales) Q 3.- Refrigeración por compresión (I) Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de un fluido refrigerante T de cambio de estado = f(p) (si p la T, si p la T ) Calores latente >> Calor sensibles la cantidad refrig y tamaño maq. Su busca tener un líquido a baja p y T para evaporarlo El calor requerido lo toma de los alrededores, los enfría En un sistema abierto el refrigerante se perdería en la atmósfera; lo normal es trabajar con ciclos de refrigeración 4

3 .- Refrigeración por compresión (II) Los elementos requeridos son: evaporador compresor condensador expansión Ciclo de compresión Líneas características del diagrama de un refrigerante 5.- Refrigeración por compresión (III) Los límites de funcionamiento de un equipo son: En el evaporador: la T de la cámara > T del refrig En el condensador: la T ambiente < T del refrig Para calcular el rendimiento del ciclo de compresión hay que conocer las energías y los calores; El calor extraído de la cámara es: (h 1 -h 4 ) (kj/kg) El calor cedido al exterior es: (h h 3 ) (kj/kg) El trabajo útil del compresor es: (h h 1 ) (kj/kg) estos valores se obtienen del diagrama, ó de las tablas COP (coefficient of performance) COP = Calor Extraido (h1 h4 ) Trabajo Compresor (h h ) 1 En función de las temperaturas del ciclo, puede ser superior a 3 6

4 .- Refrigeración por compresión (IV) Análisis Termodinámico (I): Etapa de compresión (1-) w = p admisión (b 1) impulsión ( a) 1 v w = p w ( a b) = = v = cte 1 v 0 w comp (1 ) w Ciclo Comp = = si (S = cte) q = 0 [ P.P.T. q = u + w] ( p v ) + ( u u ) ( p ) v = Δu = u 1 = h1 h u Etapa de condensación (-3), p cte [ P.P.T. ] = = h 3 h 3 q du + dw du p dv u3 u p(v 3 v ) = + = = + p = p Valores por kg de masa 7.- Refrigeración por compresión (V) Análisis Termodinámico (II): [ P.P.T. ] Etapa de expansión (3-4) sin área no hay posibilidad de intercambio térmico q = u + w Δu = Δw q = du = dw u4 u3 = p4v 4 + p3v3 u4 + p4v 4 = u3 + p3v3 3 h 3 3 = h4 Etapa de evaporación (4-1) [ P.P.T. ] = = h 1 h4 4 1 q du + dw du p dv u1 u4 p(v1 v 4 ) 4 = 4 + = = p = p 8

5 .- Refrigeración por compresión (VI) Sistemas para refrigerar varios espacios distintos a diferente temperaturas: Toda la superficie del condensador disipa calor siempre η cuando una sola cámara ON 9.- Refrigeración por compresión (VII) Sistema compuesto Teoría p = cte 10

6 .- Refrigeración por compresión (VIII) 7 6 Sistema en cascada Q = Q Cond Baja Evap Alta m m Baja Baja Δh (h Q Cond Baja CondBaja = Q = m h ) = m 3 Evap Alta Alta Alta (h Δh 5 Evap Alta h 8 ) 11.- Refrigeración por compresión (IX) Subenfriamiento: salida del condensador, asegura líquido en la Val. Exp. Recalentamiento: salida del evaporador, asegura vapor en el Comp. Tamaño del Cond Q Cond Q Cond Subenfriamiento Recalentamiento Q Evap W Comp 1

7 .- Refrigeración por compresión (X) 13.- Refrigeración por absorción (I) El ciclo necesita calor a T (generador), para obtener efecto refrigerante a T (evaporador); como residuo se ha de extraer calor a media T (absorbedor y condensador) Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. Las mezclas más utilizadas son: NH 3 -H O y LiBr-H O El NH 3 es el refrigerante y el H O el absorbente El H O es el refrigerante, y el LiBr el absorbente (T>0ºC, entre 5 y 10ºC) La tensión de vapor del refrigerante se ve alterada por la presencia del absorbente ( al la cantidad de absorbente) Con la concentración de la mezcla, se controla la T de evaporación Se deben emplear absorbentes con una tensión de vapor suficientemente baja, y mantener la solución en una temperatura y concentración necesaria, para que la tensión de vapor sea inferior a la del refrigerante en el evaporador 14

8 .- Refrigeración por absorción (II) Una máquina de absorción de efecto simple (I) El refrig (vapor) pasa al condensador y se licua, requiere ceder calor (aire o agua) Al generador se le aporta la mezcla líquida de refrig. y absorbente Con calor se evapora el refrig., el absorbente retorna al absorbedor El refrig. líquido, pasa a través de una válvula de expansión donde p y T El refrig. líquido entra en el evaporador, a baja presión se evapora produciendo frío El vapor de refrig. pasa al absorbedor, donde se mezcla 15 con el absorbente que retorna del generador.- Refrigeración por absorción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) En un intercambiador de calor se precalienta la mezcla que va al generador y se enfría el absorbente que va al absorbedor El paso de la mezcla desde el absorbedor al generador requiere p, una bomba, (única parte móvil del sistema) La reacción en el absorbedor es exotérmica, y éste debe refrigerarse, (conjuntamente con el condensador), de no ser así p, dificultando la absorción El vapor de refrig. pasa al absorbedor, donde se mezcla con el abosorbente que retorna del generador 16

9 .- Refrigeración por absorción (IV) El calor que se debe eliminar (Q abs + Q cond ) es grande, (Q gen + Q evap ) En máquinas de absorción: (Q abs + Q cond ),6 Potencia maquina En máquinas de compresión: (Q cond ) 1,5 Potencia maquina Q eliminado en absorción Q eliminado en compresión Generador Condensador Evaporador Las máquinas suelen tener dos partes: el generador y el condensador el evaporador y el absorbedor Absorbedor Hay fabricantes que colocan toda la máquina en una única carcasa 17.- Refrigeración por absorción (V) En el rendimiento del ciclo hay que considerar el aporte de calor en el generador, la energía mecánica (bombas y ventiladores) se desprecia COP T evaporador Ciclo Abs = = Tcondensador Tevaporador Efecto Refrigerante Entrada Calor El COP típico de las máquinas comerciales de LiBr-H O, es de 0,7 El rendimiento total es el de la producción del frío por el de la de calor η Frío Abs = η η abs carnot = T T condensador evaporador T evaporador T generador T T generador condensación con T en K al T en el generador װ al T en el condensador/absorbedor װ 18

10 .- Refrigeración por absorción (VI) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente cuando se diseñan para funcionar con T bajas en el generador Sólo son rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas 19.- Refrigeración por absorción (VII) El diagrama que representa la mezcla de trabajo es el Dühring (P-T) Se debe evitar la cristalización de la sal, que depende de la presión, y es peligroso en el arranque de la máquina, cuando la T es baja 0

11 .- Refrigeración por absorción (VIII) 1 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII)

12 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII) 3 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII) 4

13 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII) 5.- Refrigeración por absorción (IX) Otros ciclos de absorción (I) Buscan aumentar la capacidad frigorífica, el rendimiento, o poder realizar el suministro térmico a temperaturas reducidas Doble efecto 6

14 .- Refrigeración por absorción (X) Otros ciclos de absorción (II) Medio efecto con dos escalones Efecto simple en dos escalones La Bomba de Calor (I) Máquina frigorífica que aprovecha el calor del condensador Pueden ser reversibles: aprovechar calor o frío (calefacción en invierno y refrigeración en verano, aptas para climatización) Invierno Verano Unidad interior Condensador Evaporador Unidad exterior Evaporador Condensador Si se aprovecha simultáneamente el frío y el calor que hace la máquina, aumenta considerablemente el rendimiento Son máquinas frigoríficas que incorporan algún elemento nuevo 8

15 3.- La Bomba de Calor (II) Para aprovechar en verano el frío del evaporador y en invierno el calor del condensador se pueden pensar en varias situaciones: La Bomba de Calor (III) a) B.C. de compresión mecánica Invierte el sentido del refrigerante por las tuberías con una válvula de 4 vías 30

16 3.- La Bomba de Calor (IV) b) Bomba de Calor de absorción Se aporta calor a alta T en el generador, y se obtiene una cantidad mayor, pero a media T, tanto en el absorbedor y en el condensador. Las máquinas de llama directa, en el funcionamiento en invierno pueden llegar a alcanzar rendimientos del 150%, muy superior al de las calderas La Bomba de Calor (V) El rendimiento de la B.C. Q COP VERANO = W EVAPORADOR COMPRESOR Los focos son los medios de los que extrae o cede calor COP = INVIERNO Q CONDENSADOR W COMPRESOR Q COP = Si se aprovechan a la vez el Q CON y el Q EVAP CONDENSADOR W + Q COMPRESOR EVAPORADOR 3

17 4.- Otros ciclos de refrigeración Existen otros ciclos y métodos que se pueden emplear para producir refrigeración, entre los que se puede destacar: Ciclo de adsorción Ciclo de eyección Ciclo termoeléctrico Ciclo magnético Criogenia Escasa aplicación Experimentación No son competitivos 33

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