T1.- Producción de Frío. T1.- Producción de Frío

Transcripción

1 Tecnología T.- Producción Frigorífica de Frío(I.I.) 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 léctrica y nergética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RNDO renedoc@unican.es Despachos: TSN 36 / TSIIT S Tlfn: TSN / TSIIT Introducción.- Refrigeración por Compresión 3.- Refrigeración por Absorción.- Introducción (I) Para transportar calor desde un foco a baja temperatura a otro a alta temperatura es necesario aportar energía Interviene un fluido, refrigerante, que sufre una serie de transformaciones termodinámicas. Cada refrigerante tiene un comportamiento definido y diferente Los ciclos evitan la reposición continua del refrigerante Los métodos empleados para la producción de frío con aplicaciones industriales se basan en dos sistemas: el ciclo de compresión del vapor el ciclo de absorción

2 .- Introducción (II) No se hace frío, se retira calor 3.- Refrigeración por Compresión (I) Diagrama característico de un refrigerante P absoluta Los manómetros marcan P relativas

3 .- Refrigeración por Compresión (II) Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de una sustancia (fluido refrigerante) Compresión Condensación xpansión vaporación 5.- Refrigeración por Compresión (II) Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de una sustancia (fluido refrigerante) Compresión Condensación xpansión vaporación e c Wc 6

4 .- Refrigeración por Compresión (III) Subenfriamiento: salida del condensador, asegura líquido en la Val. xp. Recalentamiento: salida del evaporador, asegura vapor en el Comp. Tamaño del Cond Cond Cond Subenfriamiento Recalentamiento vap W Comp 7.- Refrigeración por Compresión (IV) Ciclo real: Con pérdidas de presión en condensador y evaporador La compresión no es isoentrópica La expansión no es isoentálpica Cond Cond. con p Comp. sin S cte W Cond xp. sin h cte vap. con p 8

5 .- Refrigeración por Compresión (V) 9.- Refrigeración por compresión (VI) Los límites de funcionamiento de un equipo son: 3 n el evaporador: la T de la cámara > T del refrig n el condensador: la T ambiente < T del refrig Para calcular el rendimiento del ciclo de compresión hay que conocer las energías y los calores; l calor extraído de la cámara es: (h - h) (kj/kg) l calor cedido al exterior es: (h h3) (kj/kg) l trabajo útil del compresor es: (h h) (kj/kg) estos valores se obtienen del diagrama, ó de las tablas 0

6 .- Refrigeración por compresión (VII) Análisis Termodinámico (I): tapa de compresión (-) w = p admisión (b ) impulsión ( a) v w = p w ( a b) = = v = cte v 0 w comp ( ) w Ciclo Comp = = si (S = cte) q = 0 [ P.P.T. q = u + w] ( p v ) + ( u u ) ( p ) v = u = u = h h u tapa de condensación (-3) [ 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.- Refrigeración por compresión (VIII) Análisis Termodinámico (II): [ P.P.T. ] tapa de expansión (3-) sin área no hay posibilidad de intercambio térmico q = u + w u = w q = 0 du = dw u u3 = pv + p3v3 u + pv = u3 + p3v3 3 h 3 3 = h tapa de evaporación (-) [ P.P.T. ] = = h h q du + dw du p dv u u p(v v ) = + = = + p = p

7 .- Refrigeración por compresión (IX) COP (COefficient of Performance) COP = Calor xtraido (h h ) Trabajo Compresor (h h ) n función de las temperaturas del ciclo, puede ser superior a 3 R (nergy fficiency Ratio) Capacidad Frigorífica ( BTUh) R = Potencia Compresor ( W ) n aire acondicionado puede ser superior a 3 SR (Seasonal nergy fficiency Ratio) l R durante un periodo de tiempo.000 BTU y 93 Wh 3.- Refrigeración por compresión (X) Sistema en cascada = Cond Baja vap Alta m m Baja Baja h (h Cond Baja CondBaja = = m h ) = m 3 vap Alta Alta Alta (h h 5 vap Alta h 8 )

8 .- Refrigeración por Compresión (XI) Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el subenfriamiento y el recalentamiento Condensador Condensador V. xp. Compresor V. xp. Int. Cal vaporador vaporador Refrigeración por Compresión (XII) Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el subenfriamiento y el recalentamiento Líquido C T Intercamb. de calor W C Vapor 3 Vol Tamaño Comp 6

9 .- Refrigeración por Compresión (XII) Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el subenfriamiento y el recalentamiento Líquido C T Intercamb. de calor W C Vapor Vol Tamaño Comp 7.- Refrigeración por Compresión (XIII) Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia Condensador C AP V. xp. Ref. Aux C BP vaporador 8

10 .- Refrigeración por Compresión (XIII) Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia W CAlta Tmax Refrigeración W CBaja 9.- Refrigeración por Compresión (XIII) Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia W CAP W CBP W C 0

11 .- Refrigeración por Compresión (XIV) Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido Condensador V. xp. V. xp. La inyección consigue una refrigeración 5 C AP Separador de líquido C BP 3 vaporador.- Refrigeración por Compresión (XIV) Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido Inyección 5 3

12 .- Refrigeración por Compresión (XV) Dos etapas de compresión con inyección total de refrigerante líquido Condensador V. xp. C AP Separador de líquido 3 V. xp. C BP vaporador 3.- Refrigeración por Compresión (XV) Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido Inyección total 3

13 .- Refrigeración por Compresión (XV) Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido Inyección parcial Refrigeración por Compresión (XVI) Doble compresión con subenfriamiento Condensador V. xp. C AP 6 5 Separador de líquido V. xp. 3 C BP vaporador 6

14 .- Refrigeración por Compresión (XVI) Doble compresión con subenfriamiento Refrigeración por Compresión (XVII) Doble compresión con subenfriamiento Condensador C AP V. xp. 7 6 Separador de líquido 5 V. xp. 3 C BP vaporador 8

15 .- Refrigeración por Compresión (XVII) Doble compresión con subenfriamiento Refrigeración por Compresión (XVIII) Doble evaporación Condensador V. xp. 7 C AP 6 vaporador Alta 5 C BP 3 vaporador Baja 30

16 .- Refrigeración por Compresión (XVIII) Doble evaporación Refrigeración por Compresión (XIX) Ciclo Simple con Dos vaporadores (I) Toda la superficie del condensador disipa calor siempre η cuando una sola cámara ON Condensador V. xp. vaporador Alta 3 vaporador Baja 5 Mezcla 3

17 .- Refrigeración por Compresión (XIX) Ciclo Simple con Dos vaporadores (I) v. Alta v. Baja 3 5 Mezcla 33.- Refrigeración por Compresión (XX) Ciclo Simple con Dos vaporadores (II) Toda la superficie del condensador disipa calor siempre η cuando una sola cámara ON Condensador V. xp. vaporador Alta Mezcla 3 vaporador Baja 5 3

18 .- Refrigeración por Compresión (XX) Ciclo Simple con Dos vaporadores (II) v. Alta Mezcla 3 v. Baja Refrigeración por Compresión (XXI) Ciclo Simple con Dos vaporadores (III) Toda la superficie del condensador disipa calor siempre η cuando una sola cámara ON Condensador 6 V. xp. Mezcla vaporador Alta 3 vaporador Baja 5 36

19 .- Refrigeración por Compresión (XXI) Ciclo Simple con Dos vaporadores (III) 6 Mezcla v. Alta v. Baja Refrigeración por Compresión (XXII) 38

20 .- Refrigeración por Compresión (XXIII) Refrigerante T Cond. η Comp T vap. C.O.P Refrigeración por Compresión (XXIV) P p descarga Descarga spacio muerto reexpandido p admisión Reexpansión Admisión Compresión spacio muerto v dadmisión v desplazado η Vol PMS v cilindro V PMI 0

21 .- Refrigeración por Compresión (XXV).- Refrigeración por Compresión (XXVI)

22 .- Refrigeración por Compresión (XXVII) 3.- Refrigeración por Compresión (XXVIII)

23 .- Refrigeración por Compresión (XXIX) Refrigerante 5.- Refrigeración por Compresión (XXIX) 6

24 .- Refrigeración por Compresión (XXX) Valores del ciclo 7.- Refrigeración por Compresión (XXX) Dibujar el ciclo 8

25 .- Refrigeración por Compresión (XXX) Infor. del ciclo 9.- Refrigeración por Compresión (XXXI) Ptos del ciclo 50

26 .- Refrigeración por Compresión (XXXI) 5.- Refrigeración por Compresión (XXXII) Refrigerante 5

27 .- Refrigeración por Compresión (XXXII) 53.- Refrigeración por Compresión (XXXII) 5

28 .- Refrigeración por Compresión (XXXIII) Análisis de Ciclos 55.- Refrigeración por Compresión (XXXIV) Valores del Ciclo 56

29 .- Refrigeración por Compresión (XXXIV) Auxiliar 57.- Refrigeración por Compresión (XXXIV) Ptos Ciclo 58

30 .- Refrigeración por Compresión (XXXIV) Refrigeración por Absorción (I) l 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) Su coste de operación es bajo si el calor es residual. Apenas tienen partes móviles, no genera vibraciones ni ruidos, y tiene mantenimiento reducido. Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. Las mezclas más utilizadas son: NH 3 -H O y LiBr-H O l NH 3 es el refrigerante y el H O el absorbente l H O es el refrigerante, y el LiBr el absorbente (T evap >0ºC, entre 5 y 0ºC) 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 60

31 3.- Refrigeración por Absorción (II) Una máquina de absorción de efecto simple (I) Refrigeración por Absorción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrigerante continúa hacia el condensador 3a Se aporta calor con el que se evapora el refrigerante Al absorbente retorna al absorbedor 3b Al generador se le aporta la mezcla líquida de refrig. y absorbente 6

32 3.- Refrigeración por Absorción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrigerante se licua en el Condensador 3a l refrigerante continúa hacia el condensador Necesita refrigeración externa auxiliar 3b 5 l refrigerante líquido continua hacia la expansión Refrigeración por Absorción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) l refrig se licua, en el Cond., lo que requiere ceder calor 3a 5 l refrig. líquido entra en el evaporador, a baja presión se evapora produciendo frío 6 l refrig. líquido, pasa a través de una expansión donde p y T 7 8 l vapor de refrigerante continúa hacia el absorbedor 6

33 3.- Refrigeración por Absorción (III) Una máquina de absorción de efecto simple (II) 3b l paso de la mezcla desde el absorbedor al generador requiere p, una bomba, (única parte móvil del sistema) n el Absorbedor se mezclan: el vapor de refrig. (evap); 8 la mezcla diluida (gen.); 3b La reacción de absorción es exotérmica, y necesita refrigeración, externa auxiliar. De no ser así p, dificultando la absorción Refrigeración por Absorción (IV) Una máquina de absorción de efecto simple (III) Para mejorar la eficiencia se instala un intercambiador de calor precalienta la mezcla que va al generador refrigera el absorbente que retorna al absorbedor Se puede instalar una expansión auxiliar en el absorbente que retorna del generador 66

34 3.- Refrigeración por Absorción (V) l calor que se debe eliminar ( abs + cond ) es grande, ( gen + evap ) n máquinas de absorción: ( abs + cond ),5 Potencia maquina C + A = G + = = COP = 0.7 G = G n máquinas de compresión: ( cond ),5 Potencia maquina C = Wcomp + = = COP = Wcomp = Wcomp.5 eliminado en absorción eliminado en compresión Refrigeración por Absorción (VI) Las máquinas suelen tener dos partes: el generador y el condensador el evaporador y el absorbedor Hay fabricantes que colocan toda la máquina en una única carcasa 68

35 3.- Refrigeración por Absorción (VII) l suministro térmico en los arranques debe ser mayor que en régimen La capacidad se controla con la concentración el absorbedor: strangulando la alimentación de calor en el generador Disminuyendo la refrigeración del condensador Regulando el caudal que le llega al hervidor Bypasando la solución con una válvula de tres vías en el hervidor (las dos conexiones con el absorbedor) Sistema bromuro de litio-agua (BrLi-H O), requiere en el generador Tª de 00 C Refrigeración por Absorción (VIII) Sistema amoniaco-agua (NH 3 -H O), requiere en el generador de 0-50 C l NH 3 es tóxico y además ataca el cobre Las máquinas y tuberías tienen que ser de acero e inoxidable Necesita un rectificador entre el generador y el condensador ya que con el amoniaco se evapora agua 70

36 3.- Refrigeración por Absorción (IX) n el rendimiento del ciclo hay que considerar el aporte de calor en el generador, la energía mecánica (bombas y ventiladores) se desprecia l COP típico de las máquinas comerciales de LiBr-H O, es de 0,7 l COP de las de NH 3 -H O es de 0,5 (trabajan a menores T evap ) l rendimiento total es el de la producción del frío por el de la de calor η Frío Abs = T T condensador evaporador T evaporador T generador T T generador condensación con T en K װ al T en el generador ʻ al T en el condensador/absorbedor Refrigeración por Absorción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan 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 n los sistemas solares la disponibilidad de calor con la necesidad de refrigeración La intermitencia del Sol hace necesario un sistema de almacenamiento térmico No son rentables 7

37 3.- Refrigeración por Absorción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan con T bajas en el generador Torre Sólo deson rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas Motor Refrigeración Motor Motor Generador Generador léctrico G.T. G. Aux. Cond./Abs. vaporador Agua nfriada Bomba Bomba Refrigeración por Absorción (X) Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente si funcionan con T bajas en el generador Colectores solares Sólo son rentables cuando el calor muy barato, y las horas de funcionamiento anual a plena carga son elevadas Bomba n los sistemas solares la disponibilidad de calor con la necesidad de refrigeración G. Aux. Torre de Ref. La intermitencia del Sol hace necesario un sistema de almacenamiento térmico Cond./Abs. vaporador Agua nfriada No son rentables Bomba Generador Bomba 7

38 3.- Refrigeración por Absorción (IX) l diagrama que representa la mezcla de trabajo es el Dühirng (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 Refrigeración por Absorción (X) 76

39 Tª 3.- Refrigeración por Absorción (X) 77 Tª 3.- Refrigeración por Absorción (IX) 78

40 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII) 79 Tª.- Refrigeración por absorción (VIII) 80

41 .- Refrigeración por Absorción (XI) NH 3 -H O Refrigeración por Absorción (XII) Otros ciclos de absorción (I) Buscan aumentar la capacidad frigorífica, el rendimiento, o poder realizar el suministro térmico a temperaturas reducidas Ciclos multiefect (el calor se aprovecha varias veces) Ciclos multistage (un elemento más de una vez) 8

42 3.- Refrigeración por Absorción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle: ste ciclo aprovecha el calor desprendido en la refrigeración de un condensador de alta en un generador de baja (máquina grande y cara) Tiene COP del orden de, Necesita un 0% menos de calor que el de simple efecto La refrigeración auxiliar libera al exterior 5% menos de calor G D.. G S.. = COP COP D.. S.. =, 0,7 0,83 = 60%,3 C C + + A D.. A S.. = G G + + D.. S.. = COP COP D.. S =, 0,7 + + = 75% Refrigeración por Absorción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor a alta T. Calor a med. T. Condensador M.P. Generador M.P. vaporador Absorbedor Temperatura 8

43 3.- Refrigeración por Absorción (XIII) Otros ciclos de absorción (II) Double ffect Cycle Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor a alta T. Calor a med. T. Condensador M.P. Generador M.P. vaporador Absorbedor Temperatura Refrigeración por Absorción (XIV) Otros ciclos de absorción (III) Half ffect Cycle: ste ciclo aprovecha el calor a dos focos térmicos distintos (alta y media temperatura) Tiene COP del orden de 0,5 Necesita un 0% mas de calor que el de simple efecto La refrigeración auxiliar libera al exterior 5% más de calor G H.. G S.. = COP COP H.. S.. = 0,5 0,7 =,3 = 0% C C + + A D.. A S.. = G G + + H.. S.. = COP COP H.. S = 0,5 0, % 86

44 3.- Refrigeración por Absorción (XIV) Otros ciclos de absorción (III) Half ffect Cycle: Presión Condensador H.P. Generador H.P. Calor Absorbedor M.P. Generador M.P. Calor vaporador Absorbedor L.P. Temperatura Refrigeración por Absorción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 0 de un ciclo convencional) Puede funcionar como uno de Double ffect, o como Half ffect l COP varía en función de como trabaja 88

45 3.- Refrigeración por Absorción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 0 de un ciclo convencional) Condensador G.H.P.H.T. Puede funcionar como uno de Double G.H.P.M.T. ffect, o como Half ffect l COP varía en función de como trabaja Presión Absorbedor M.P. G.M.P.M.T. vaporador Absorbedor L.P. Temperatura Refrigeración por Absorción (XV) Otros ciclos de absorción (IV) Single-effect/double-lift: Busca conseguir gran enfriamiento en el agua de alimentación al generador (del orden de 30ºC frente a los 0 de un ciclo convencional) Condensador G.H.P.H.T. Puede funcionar como uno de Double G.H.P.M.T. ffect, o como Half ffect l COP varía en función de como trabaja Presión Absorbedor M.P. G.M.P.M.T. vaporador Absorbedor L.P. Temperatura 90

46 3.- Refrigeración por Absorción (XIV) T Cond. T Gen. T vap. T Abs. C.O.P. 9 Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor funciona con R entre las temperaturas de saturación de -0ºC en el evaporador y,6ºc en el condensador. Calcular la capacidad de refrigeración, el coeficiente de operación (COP) y el cociente entre la potencia consumida por el compresor en hp y la capacidad de refrigeración en ton si el flujo másico de refrigerantes es de 0,6 kg/s. 9

47 Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los siguientes cambios: l refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -0ºC l refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 0ºC l compresor tiene un rendimiento adiabático del 80% Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP 93 Un ciclo de dos etapas de refrigeración sustituye al ciclo del problema. Calcular la capacidad de refrigeración y el COP y comparar los resultados con los del problema. Utilizar un caudal másico en el ciclo de baja de de 0,6 kg/s 9

48 Una máquina de absorción de LiBr Agua funcionando con Tgen. 70ºC, Tevap. 0ºC, Tcond. 30ºC y eficacia del intercambiador de la solución del 75%. Se desea conocer el COP del sistema suponiendo Tabs. = Tcond. 95 Bibliografía del Tema La Producción de Frío jercicios de Producción de Frío. Torrella Cálculos en Instalaciones Frigoríficas J.M Pinazo Frío Industrial P. C. Koelet 96

49 Bibliografía del Tema ASHRA HANDBOOKS (CD`s) Fundamentals; Cap Refrigeration; Cap Climatización con Gas Natural Sistemas de Absorción y Compresión Gas Natural Revistas nacionales: l Instalador Montajes e Instalaciones 97