MÁQUINA FRIGORÍFICA Y BOMBA DE CALOR

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1 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO 9 MÁUINA FRIGORÍFICA Y BOMBA DE CALOR OBJEIVOS DIDÁCICOS CONOCIMIENOS PREVIOS Identiiar máquina rigoríia omo máquina térmia. Estableer los lujos energétios en una máquina rigoríia. Interpretar el Cilo de Carnot en sentido inverso. Conoer la eiienia ideal de la máquina rigoríia y de la bomba de alor. Comprender los oneptos ísios básios en los que se basa la máquina rigoríia. Identiiar y omprender la unión de los elementos en un iruito rigoríio. Conoer el unionamiento básio de la máquina rigoríia. Identiiar los proesos en los que se divide el unionamiento on el ilo termodinámio orrespondiente. Reonoer la bomba de alor omo una apliaión de la máquina rigoríia. Identiiar tipos de bombas de alor según las uentes empleadas y las posibles apliaiones. Comprender el unionamiento de la bomba de alor reversible. Conoer los rerigerantes más empleados y sus araterístias prinipales. Apreiar el eeto que sobre el medio ambiente tienen los rerigerantes y la neesidad de utilizar otros nuevos no dañinos de la apa de ozono. Conoer los prinipios de la termodinámia. Conoer las transormaiones termodinámias básias. Interpretar orretamente el Cilo de Carnot Conoer las leyes básias de ambio de estado en líquidos y gases. Conoer las magnitudes básias utilizadas en el estudio de máquinas. ener onienia de la problemátia de la disminuión de la apa de ozono. CONENIDOS DE LA UNIDAD DIDÁCICA Introduión. Prinipio de unionamiento. Máquina rigoríia ideal. Máquina rigoríia real. Coneptos básios. Componentes de una instalaión rigoríia. Funionamiento de la máquina rigoríia. Cilo termodinámio teório de la máquina real. Eiienia teória de la máquina real. Bomba de alor. Eiienia teória de una bomba de alor. ipos de bombas de alor. Bomba de alor reversible. Rerigerantes utilizados en las máquinas rigoríias. Caraterístias genérias de los rerigerantes. Propiedades ísias de los rerigerantes. Ventajas e inonvenientes de algunos rerigerantes. aire río válvula expansión evaporador ompresor ondensador iltro/aumulador aire Ciruito esquemátio de una máquina rigoríia Máquina rigoríia didátia 165

2 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS 1. INRODUCCIÓN En la U.D. anterior se han estudiado las máquinas térmias que onsumen energía térmia y produen energía meánia: los motores térmios. En esta U.D. se estudian las máquinas térmias que realizan un ilo inverso al de los motores térmios. Estas máquinas onsumen energía meánia y extraen o eden alor. Como veremos, la máquina realmente es siempre la misma, pero el objetivo es distinto. Si la máquina se utiliza para extraer alor de un reinto, se denomina máquina rigoríia. Si, por el ontrario, lo que interesa es aportar alor al reinto, la máquina se denomina bomba de alor. Y si se trata de una máquina apaz de extraer alor en unas oasiones y de eder alor en otras, se denomina bomba de alor reversible. Cuando hablamos de máquina rigoríia no sólo nos reerimos a los rigoríios y ongeladores que tenemos en asa, también se trata del aparato de aire aondiionado que nos alivia en verano, de las máquinas que abrian los ubitos de hielo, de las que permiten realizar investigaiones on materiales omo los superondutores, de las que permiten que podamos disrutar de pistas de hielo permanentes, de las instalaiones donde se liuan gases omo el gas natural para ailitar su transporte, o del oxígeno para la industria aerospaial y también de las máquinas que se utilizan en riogenia. En uanto a la bomba de alor, son esas máquinas que se utilizan para alentar la asa en invierno, unionando de modo inverso al aire aondiionado. En la industria se utilizan bombas de alor en seaderos, en invernaderos, en granjas de aves. ambién una bomba de alor nos permite disrutar de pisina de agua aliente en invierno. Al igual que se hizo en la U.D. anterior, en ésta se ve en primer lugar los oneptos en los que se basa el unionamiento de la máquina rigoríia, los elementos que onorman la máquina, los ilos termodinámios en los que undamenta su unionamiento y los parámetros más importantes de estas máquinas omo onsumo, potenia y rendimiento. 2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENO Una máquina rigoríia es un motor térmio unionando a la inversa; en el motor térmio, el luido termodinámio obtiene alor del oo aliente, realiza trabajo meánio y ede alor al oo río. En la máquina rigoríia, el luido toma alor del oo río y lo ede al oo aliente. Como puedes observar, la transerenia de energía térmia se realiza en el sentido ontrario al que se produe de orma espontánea en la naturaleza y, según el segundo prinipio de la ermodinámia, esto sólo puede realizarse onsumiendo trabajo. Por tanto, el diagrama energétio unional de una máquina rigoríia es el que muestra la igura 1. Donde representa la energía térmia absorbida por el luido desde el oo río que se enuentra a una temperatura. representa el alor edido por el luido al oo aliente, Fig. 1. Diagrama energétio de la máquina rigoríia. uya temperatura es. Y es el trabajo que se debe aportar al luido para onseguir que la transerenia térmia se realie desde el oo río haia el oo aliente. En las máquinas rigoríias, el luido empleado realiza un ilo termodinámio, por lo que en el diagrama anterior, y según el primer prinipio de la termodinámia, se umplirá: 2.1. Máquina rigoríia ideal Una máquina rigoríia ideal sería aquélla en la ual el luido termodinámio realizaría el Cilo de Carnot en sentido inverso, es deir, en sentido antihorario, omo se muestra en la igura 2. p luido 3 4 oo aliente + Fig. 2. Cilo de Carnot para la máquina rigoríia ideal. Según este ilo, el luido realiza dos transormaiones isotérmias y otras dos adiabátias: ransormaión 1-2: ompresión adiabátia: se produe una disminuión de volumen a expensas de un onsumo de trabajo exterior provoando un aumento de temperatura desde la temperatura inerior a la temperatura superior. Esta transormaión se realiza sin interambio de alor on el exterior, adiabátiamente. oo río 2 1 V 166

3 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO ransormaión 2-3: ompresión isoterma: el luido ede alor al oo aliente a temperatura onstante, lo que equivale a un trabajo negativo on disminuión de volumen. ransormaión 3-4: expansión adiabátia: el luido disminuye su temperatura desde hasta, sin interambio de alor on el exterior, por lo que realiza un ierto trabajo on aumento de volumen. Idealmente este trabajo se podría utilizar para realizar la transormaión 1-2, en la que se neesita onsumir trabajo. ransormaión 4-1: expansión isotérmia: se ompleta el ilo on una transormaión a temperatura onstante y on aumento de volumen. Esto requiere la realizaión de un trabajo positivo a partir del alor absorbido del exterior, el oo río. El rendimiento ideal obtenido en este ilo sería el máximo posible según vimos en la U.D. 7. Este rendimiento se alula omo el oiente entre aquello que obtenemos, según el objetivo para el que se utiliza la máquina, y lo que nos uesta onseguirlo. Este rendimiento resulta ser mayor que la unidad, por lo que ontradie la propia deiniión de rendimiento. Es por esta razón que para indiar el rendimiento de las máquinas rigoríias se utiliza la expresión eiienia, o más téniamente, oeiiente de operaión, COP (del inglés Coeiient O Perormane). Para el supuesto de una máquina rigoríia uyo objetivo es extraer alor del oo río, la eiienia ideal es: - - De donde se dedue que para aumentar la eiienia de una máquina rigoríia interesa disponer de una elevada temperatura ría y que la dierenia térmia entre los dos oos (salto térmio) sea lo menor posible. Esto quiere deir que la eiienia disminuye uando deseamos obtener temperaturas muy bajas o uando haemos trabajar la máquina en ambientes muy álidos. Ejemplo Una máquina rigoríia trabaja entre un oo río a 5ºC y un oo aliente a ºC. Determina: a) Eiienia ideal de la máquina. b) Para onseguir una eiienia igual a 9, qué temperatura debe tener el oo aliente? ) Si se ajusta el iruito para onseguir una temperatura de - ºC, uál será la nueva eiienia? Soluión: a) La eiienia ideal se obtiene a partir de las temperaturas de los oos, entre los que se trabaja: ,657 - (273 + ) - (273-5) b) La eiienia aumentará si disminuye la temperatura exterior: ð ,77 K 24,77 o C Es deir, la eiienia de nuestro rigoríio es mayor en invierno que en verano. ) Al exigirle menor temperatura, la eiienia disminuirá: 273-6,575 - (273 + ) - (273 - ) ambién resulta palpable en nuestro rigoríio que, uando se requieren temperaturas más bajas, aumenta el tiempo de unionamiento del motor y, por tanto, el onsumo. Si, por el ontrario, lo que busamos on esta máquina es un aporte de alor para alentar un reinto, es deir, si se trata de una bomba de alor, la eiienia será: COP b - - En este aso, la eiienia aumenta uando la temperatura que se desea alanzar en el oo aliente es alta y uando el salto térmio es pequeño. A partir de las expresiones anteriores podemos relaionar áilmente las eiienias de la máquina trabajando omo máquina rigoríia y omo bomba de alor. Reordando el primer prinipio de la ermodinámia apliado a la máquina rigoríia: + Si dividimos por ambos lados de la igualdad: + Es deir: Ejemplo ð COP b Una máquina uniona según el ilo reversible de Carnot entre dos oos a -3 ºC y 27 ºC y reibe desde el exterior una energía de 7. kj. Calula: a) Eiienia de la máquina unionando omo máquina rigoríia. b) Eiienia de la máquina unionando omo bomba de alor. ) Energía térmia entregada al oo aliente. d) Energía térmia absorbida desde el oo río. 167

4 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS Soluión: a) Como uniona según el ilo ideal de Carnot, la eiienia depende de las temperaturas de los oos: ( ) - (273-7) b) ) d) COP b ( ) - (273-7) Vemos que: COP b 1 + COP b + ð ð kj kj 3. MÁUINA FRIGORÍFICA REAL Una máquina rigoríia real utiliza un luido para realizar un ilo termodinámio que se basa en la evaporaión y liueaión de este luido. El luido que se utiliza se denomina genériamente rerigerante o luido rigorígeno. Antes de ver ómo se onsigue en una máquina real la transerenia térmia desde el oo río haia el oo aliente, reordemos algunos oneptos que nos ayudarán a entender mejor el proeso Coneptos básios Calor sensible y alor latente. Cuando se aplia alor a una sustania y ésta aumenta su temperatura, se está apliando alor sensible. omando el agua omo reerenia, sabemos que para que un gramo de agua aumente su temperatura en un grado, es neesario apliarle una aloría. Sin embargo, uando se aplia alor a una sustania y ésta no varía su temperatura sino que ambia de estado, se está apliando alor latente que, según sea el ambio de estado se denominará alor latente de vaporizaión (de líquido a vapor) o de liueaión (de vapor a líquido). Para el agua, el alor latente de vaporizaión es 537 kal/kg, es deir, que para que un gramo de agua líquida pase a vapor debe absorber 537 alorías. La tabla 1 muestra los valores de alor latente de varias sustanias. Rerigerante Calor latente (al/g) R-11 43,51 R-12 R-13 R-22 R-113 R ,47 35,4 55,92 35,7 32,78 abla 1. Valores de alor latente a 1 atm para algunos luidos rigoríios. Al igual que para el agua, el alor latente tiene un valor muy superior al alor espeíio, por lo que podemos estableer que resulta más rentable absorber alor desde el entorno mediante el ambio de estado de un luido que on el simple alentamiento del mismo. Veamos un ejemplo: si se desea mantener un determinado reinto a ºC, haiendo irular a través de una tubería un luido rerigerante a ºC, se tendrá que haer irular por diha tubería un gran audal de luido para onseguir nuestro objetivo. Sin embargo, si en el interior de la tubería se obliga al luido a pasar de líquido a vapor, el alor que absorbe será muho mayor y, por tanto, el audal neesario será muho menor. Ejemplo Determina el alor que un bloque de hielo de 1 kg de masa a ºC debe tomar de su entorno para onseguir 1 kg de vapor de agua a 1 ºC, suponiendo que todo el proeso se realiza a presión atmoséria. Datos: Calor espeíio del hielo: h,5 kal / kg K Calor latente de usión del hielo: l kal /kg Calor espeíio del agua: a 1 kal / kg K Calor latente de vaporiz. del agua: lv 537 kal/kg Calor espeíio del vapor: v,46 kal / kg K Soluión: El alor total neesario será la suma de las distintas energías térmias, que son neesarias para los suesivos inrementos térmios y los distintos ambios de estado: tot sensiblehielo + latusión + sensibleagua + latevaporiz + sensiblevapor sensiblehielo m h 1,5 [ - (-)] 5 kal latusión m l 1 kal sensibleagua m a 1 1 ( - ) kal latevaporiz m lv kal sensiblevapor m v 1,46 (1 - ) 9,2 kal total 731,2 kal En este ejemplo podemos observar que la mayor parte del alor absorbido en el proeso ha sido en el ambio de estado de líquido a vapor. emperatura y presión de saturaión. La temperatura de saturaión es aquella temperatura a la que una determinada sustania realiza el paso de líquido a vapor, o vieversa. La presión de saturaión es aquella presión a la que una determinada sustania realiza el paso de líquido a vapor o vieversa. La temperatura y la presión de saturaión están íntimamente relaionadas, de tal orma que el valor de una depende del valor de la otra. Es deir, en el ambio de estado, mientras oexisten las ases líquido y vapor, on saber el valor de la temperatura existente queda peretamente deinida la presión o, al ontrario, si se sabe la presión, automátiamente queda determinada la temperatura. La 168

5 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO igura 3 muestra esta interrelaión para tres luidos rerigerantes muy utilizados en las máquinas rigoríias Fig ºC ºF ºC Compresor. oma el luido rerigerante en estado vapor y a baja presión y eleva su presión hasta un valor que su temperatura de saturaión sea superior a la temperatura ambiente que existe en el exterior de la máquina, de orma que sea posible el ambio de estado del luido de vapor a líquido on esión de alor. El ompresor uniona aionado por un motor térmio o elétrio. ºF ºC ºF Pa Pa P (bar) P (bar) Presión de vapor en unión de la temperatura para varios rerigerantes. Este gráio muestra, por ejemplo, que el amoniao a presión atmoséria evapora a los 35 ºC, mientras que si se desea que el ambio de estado se realie a 18 ºC, es neesario someterlo a una presión de 2 atmóseras. odo vapor puede ser liuado. Esta airmaión es una onseuenia de lo anteriormente expuesto; aunque estemos habituados a ver algunas sustanias en estado gaseoso, si se llevan a las ondiiones neesarias, podrán pasar a estado líquido. Esto ourre on el butano que, en el interior de las botellas está líquido, o on el gas natural, que se liua para transportarlo mediante los baros denominados metaneros, y también on el oxígeno que se liua para utilizarlo omo omburente en las naves espaiales. El gráio de la igura 3 muestra que para liuar el amoniao a una temperatura ambiente de 25 ºC, se debe alanzar una presión de atmóseras. Estos oneptos vistos hasta ahora permiten intuir ómo uniona una máquina rigoríia: Se dispone de un luido rerigerante en un iruito errado que, en el lugar adeuado, disminuyendo la presión, pasará de líquido a vapor absorbiendo alor del medio exterior y, por tanto, rerigerando el medio que lo rodea (on el amoniao esto pasaría a presión atmoséria a 35 ºC). Este luido, ahora vapor, se omprime para aumentar su presión, obligándole, en otro punto del iruito, a pasar de vapor a líquido, ediendo alor al exterior (on el amoniao esto pasaría a temperatura ambiente on una presión de atmóseras). Sólo alta permitir que baje nuevamente la presión para que se repita el proeso realizando un ilo termodinámio. Condensador. Se trata de un onduto en orma de serpentín para onseguir una gran superiie de ontato que ailite el rápido interambio de alor entre el luido del interior y el medio exterior. Este onduto se va llenando del vapor que proviene del ompresor y va aumentando su presión hasta alanzar la presión de vapor, momento en que se liua, ediendo alor al exterior. En un rigoríio onvenional es la rejilla situada en la parte trasera del rigoríio (). Válvula de expansión. Es el dispositivo que se utiliza para regular la entrada en el evaporador del luido rerigerante en estado líquido proedente del ondensador. Mediante esta válvula se onsigue que el evaporador se alimente de una orma ontinua. Así, se dispone en el evaporador del rerigerante neesario para onseguir que se mantenga la presión de vapor que se neesita, según la temperatura deseada, para que se produza el paso de líquido a vapor on la orrespondiente absorión de alor. Evaporador. Es un interambiador de alor similar al ondensador. En este aso, el evaporador va reibiendo luido en estado líquido a baja presión, proedente de la válvula de expansión. Las propiedades termodinámias del luido rerigerante válvula de expansión evaporador ondensador ompresor 3.2. Componentes de una instalaión rigoríia Para realizar los distintos proesos indiados anteriormente, se disponen de los elementos neesarios en ada aso; estos elementos son los indiados en la igura 4. Fig. 4. Elementos de la máquina rigoríia y su loalizaión en un rigoríio onvenional. 169

6 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS permiten que, para la presión existente en el evaporador, la temperatura de vapor a la que se produe el ambio de líquido a vapor sea inerior a la temperatura del loal que se desea rerigerar. De esta orma, el luido toma el alor que neesita para el ambio de estado del medio exterior y lo rerigera. En un rigoríio onvenional es el onduto en orma de serpentín situado en la parte interior de la pared trasera ( ). P P 3 ( ) 2 ( ) 3.3. Funionamiento de la máquina rigoríia El siguiente diagrama de bloques igura 5 muestra los elementos que omponen la máquina, la irulaión del luido rerigerante y las transormaiones que sure a su paso por los distintos bloques: 3 4 válvula de expansión Fig. 5. Diagrama de bloques de unionamiento de una máquina rigoríia. Proeso 1-2: el ompresor toma el rerigerante en estado de vapor a baja presión (P ) y baja temperatura ( ) y lo omprime, pasando a alta presión (P ) y alta temperatura ( ). En este proeso se onsume un trabajo (suministrado por el motor térmio o elétrio). Proeso 2-3: el luido en las ondiiones anteriores entra en el ondensador, donde ambia de estado, ediendo un alor al exterior. Proeso 3-4: a través de la válvula se permite la expansión del luido, por lo que disminuye su presión y temperatura. Proeso 4-1: el líquido rerigerante entra en el evaporador, donde ambia de estado líquido a vapor, onsumiendo un alor que toma del interior de la ámara rigoríia, rerigerándola Cilo termodinámio teório de la máquina real El proeso desrito en el apartado anterior orresponde on el ilo termodinámio teório que se muestra en la igura 6. ondensador evaporador ompresor 2 1 P Fig. 6. Cilo termodinámio real teório de la máquina rigoríia. Las transormaiones termodinámias realizadas por el luido son: ransormaión 1-2: ompresión adiabátia: el luido, a temperatura y presión P, reibe trabajo (), aumentando su presión y temperatura hasta P y, pero sin interambio de alor on el exterior. ransormaión 2-3: ondensaión: el luido realiza un ambio de estado, pasando de vapor a líquido. Este ambio de estado onlleva una liberaión de alor ( ) por parte del luido termodinámio haia el oo aliente. eóriamente, esta transormaión se realiza a presión y temperatura onstante. ransormaión 3-4: expansión adiabátia: se permite la expansión del líquido, por lo que disminuye su presión y temperatura hasta los valores P y. En esta transormaión, el líquido realiza un ierto trabajo, pero es tan pequeño que, en la prátia, no puede ser aprovehado. eóriamente, esta expansión se realiza sin interambio de alor. ransormaión 4-1: evaporaión: para errar el ilo, el luido ambia nuevamente de estado, ahora de líquido a vapor, absorbiendo alor ( ) desde el oo río. En este ilo teório, se supone que este ambio se realiza a temperatura y presión onstante Eiienia teória de la máquina real Según el ilo termodinámio expuesto, la eiienia de la máquina rigoríia se puede obtener omo el oiente entre el alor que se absorbe desde el oo río (el in que se persigue on la máquina, ) y lo que nos uesta onseguir este objetivo; el trabajo que se debe suministrar a la máquina (): 4 ( ) 1 ( ) Y, onsiderando según el diagrama genério, que: + V 17

7 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO podemos esribir: - De esta expresión resulta normalmente un valor superior a la unidad, que suele estar omprendido entre 2 y 5. De todas ormas, omo se ha indiado, éste es el unionamiento de la máquina según el ilo teório. El ilo real no será el desrito por los siguientes motivos: El luido que se supone en unas partes del iruito, omo todo vapor, y en otras omo todo líquido, en realidad se trata de una mezla liquido-vapor on distintas proporiones en ada punto del iruito. Por tanto, los ambios de estado no aetan a la totalidad de la masa del luido rerigerante, y la eiienia disminuye. La ompresión y la expansión que se onsideran adiabátias en realidad se realizan on interambios de alor on el exterior, lo que supone pérdidas energétias. Los interambios de alor en el ondensador y en el evaporador se supone que se realizan de orma ideal, es deir, onsiderando una superiie de ontato tan grande omo se preise (idealmente ininita), y una irulaión de luido exterior tan grande omo sea neesaria. Esta situaión no es viable en la prátia, por lo que el interambio de alor no es pereto, quedando parte del luido sin ambiar de estado o interambiando el alor on otra uente para realizar el ambio de estado. Para solventar en parte este problema se uerza la irulaión de aire exterior mediante ventiladores. 4. BOMBA DE CALOR Se denomina bomba de alor a una máquina rigoríia uyo objetivo no onsiste en enriar un determinado reinto sino en alentarlo. Es deir, una bomba de alor onsiste en la misma máquina que hasta ahora hemos estudiado, on la denominaión de máquina rigoríia, on la únia dierenia de que antes nos interesaba el alor interambiado en el evaporador y ahora nos interesa el alor expulsado en el ondensador. Por tanto, los elementos que onorman la máquina y el unionamiento son los desritos en los apartados anteriores Eiienia teória de una bomba de alor En uanto a la eiienia de la bomba de alor, será el oiente entre lo que se desea onseguir,, y lo que se debe aportar para onseguirlo, : 4.2. ipos de bombas de alor Las bombas de alor se suelen lasiiar en unión de la naturaleza de las uentes rías y alientes que utilizan para su unionamiento. La uente ría puede ser aire o agua. La uente aliente puede ser también aire o agua. Con la ombinaión de estas posibles uentes se obtienen los siguientes tipos de bombas de alor, en uya denominaión se india en primer lugar la naturaleza de la uente ría y, a ontinuaión, la uente aliente: Aire-aire: es el aso de una bomba de alor utilizada omo aleaión en una vivienda. Aire-agua: omo ejemplo de estas uentes puede tomarse una pisina de agua aliente o una pisiatoría. Agua-agua: un ejemplo llamativo de este tipo de bomba sería la que se utilizara para obtener simultáneamente una pista de hielo permanente y una pisina de agua aliente. Agua-aire: tenemos el aso de un sistema de aleaión de una vivienda que toma omo oo río el agua de un río erano. omar el agua omo uente ría tiene la ventaja de que la eiienia de la bomba se mantiene prátiamente onstante durante todo el año, ya que la temperatura del agua de un río, de un pozo o de un lago varía muy poo de una estaión a otra Bomba de alor reversible Hemos visto que los elementos y el unionamiento de la bomba de alor son los mismos que los de la máquina rigoríia. Por tanto, según se mire, una máquina determinada puede emplearse para rerigerar un reinto o bien para alentar otro. Esto es lo que hae el rigoríio: enría su interior y alienta el exterior. Y es lo que hae un aparato de aire aondiionado: enría el interior de la vivienda y alienta el aire de la alle (Figura 7). EXERIOR ventilador del ondensador ondensador aire de ondensaión (45 ºC) aire exterior (32 ºC) ompresor LOCAL ventilador del evaporador evaporador aire de impulsión (15 ºC) aire de retorno (25 ºC) COP b - Fig. 7. Disposiión de un equipo de aire aondiionado. 171

8 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS De esta orma, si pudiéramos dar la vuelta al aparato de aire aondiionado en invierno, tendríamos un equipo de aleaión. Esto es lo que se onsigue on la bomba de alor reversible, pero sin la neesidad de invertir ísiamente la disposiión del equipo (Figura 8). Las iguras y 11 muestran una bomba de alor reversible en sus dos modos de unionamiento. EXERIOR LOCAL aire de expulsión ventilador del evaporador ventilador del ondensador ondensador (2 ºC) aire de impulsión (32 ºC) unidad exterior de produión de alor ompresor unidad interior de produión de río 1 2 aire exterior (8 ºC) evaporador ompresor aire de retorno ( ºC) válvula de expansión Fig.. Bomba de alor unionando omo rerigerador. Fig. 8. Equipo de aire aondiionado unionando omo sistema de aleaión, una vez dado la vuelta. La bomba de alor reversible onsiste en una máquina que según se desee uniona omo máquina rigoríia o omo bomba de alor. Es deir, uando se desee, el luido se ondensa en el interambiador situado en el exterior de la asa, ediendo alor al exterior y se evapora en el interambiador del interior de la vivienda extrayendo alor y rerigerando el loal. En aso ontrario, el luido se evapora en el interambiador situado en el exterior de la vivienda, absorbiendo alor del aire de la alle, y se ondensa en el interambiador situado en el interior de la asa, ediendo alor y alentando la sala. Para poder disponer de este doble unionamiento en una misma máquina (y sin tener que ambiarla de posiión), es neesario disponer de un únio amino para el luido, pero on la posibilidad de haerlo irular en un sentido o, en el ontrario, de orma que se pueda lograr un unionamiento, o el ontrario. El dispositivo que permite esta inversión de giro es una válvula de uatro vías, dos de entrada y dos de salida, y dos posiiones. La igura 9 muestra el unionamiento de la válvula en sus dos posiiones: S E S 2 1 E Fig. 9. Desripión unional de una válvula de 4 vías. E E S 1 2 S unidad exterior de produión de río ompresor unidad interior de produión de alor 1 2 válvula de expansión Fig. 11. Bomba de alor unionando omo aleator. En estas iguras suponemos que el interambiador de la izquierda está en el exterior de la vivienda, mientras que el de la dereha se enuentra en el interior. Según esto: En la igura, el interambiador del exterior uniona omo ondensador, reibiendo el luido desde el ompresor, mientras que en la igura 11, este mismo interambiador uniona omo evaporador ya que reibe el luido desde la válvula de expansión. Por el ontrario, en la igura, el interambiador del interior uniona omo evaporador puesto que reibe el luido de la válvula de expansión, mientras que en la igura 11 uniona omo ondensador, pues reibe el luido del ompresor. Nótese que la irulaión a través del ompresor se realiza, evidentemente, siempre en la misma direión y que, aunque el luido irule una vez en un sentido, y otra, en sentido ontrario, a lo largo del iruito, el ilo termodinámio que realiza es siempre el mismo. 172

9 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO 5. REFRIGERANES UILIZADOS EN LAS MÁUINAS FRIGORÍFICAS Existen un gran número de rerigerantes, ada uno de los uales se empleará en unión de sus araterístias para distintas apliaiones. Con la preoupaión reiente haia el mantenimiento del medio ambiente, algunos luidos rerigerantes han sido prohibidos y otros tienen un plazo determinado para dejar de ser utilizados. odos ellos tienen o tendrán un sustituto de prestaiones similares. A la hora de elegir un rerigerante no sólo se debe pensar en su apaidad de realizar on alta eiienia el ilo termodinámio orrespondiente, sino que hay que tener en uenta las onseuenias que para el medio ambiente pueda tener. En otras oasiones resulta undamental prever las onseuenias que pueda tener el poner en ontato el rerigerante on el produto que se rerigera Caraterístias genérias de los rerigerantes En líneas generales, para que un luido pueda ser utilizado omo rerigerante en una máquina rigoríia, debe adaptarse a los siguientes ondiionantes: 1. No ataar la apa de ozono. 2. No ontribuir diretamente o indiretamente al eeto invernadero. 3. No debe ser inlamable ni tóxio. 4. Las presiones de trabajo deben estar por enima de la presión atmoséria para evitar las iltraiones de aire y de vapor de agua. 5. Debe ser áilmente detetable en aso de ugas en el sistema. 6. Debe ser ompatible on los lubriantes que se utilien en la instalaión. 7. No debe orroer los metales usualmente usados en el sistema de rerigeraión y debe ser químiamente estable. 8. Debe ser de áil manejo y de bajo osto (eonómio) Propiedades ísias de los rerigerantes Debido a la amplia gama de ondiiones de unionamiento no existe el rerigerante que umpla todas las exigenias y su idoneidad dependerá del grado en que sus propiedades se aerquen a las exigenias onretas de utilizaión. Las propiedades ísias más importantes que se deben tener en uenta a la hora de elegir un rerigerante para una determinada instalaión son las siguientes: 1. ensión de vapor. La urva de tensión de vapor releja el equilibrio entre el luido rigorígeno en estado líquido y estado gaseoso. De esta urva se obtendrán las presiones y las temperaturas de evaporaión y de ondensaión a las que tendrá que trabajar el luido. La siguiente gráia muestra la urva de tensión de vapor para algunos rerigerantes. bares mm merurio , Fig. 12. Curva de vapor para algunos rerigerantes. A modo de ejemplo, supongamos que disponemos del rerigerante R13 a ºC y bares. Según la gráia anterior, este luido está en estado líquido. Si disminuye la presión, el ambio de estado se produirá a ºC uando se alanen los 15 bares. O bien, si disponemos del rerigerante R114 a 2 bares y ºC, estará en estado gaseoso. Si ahora disminuye la temperatura, el ambio de estado se produirá a los ºC, pero si se desea que el ambio de estado se realie a ºC, habrá que aumentar la presión hasta los 3,8 bares. 2. Relaión de ompresión. India la relaión entre la presión de salida y la de entrada de un ompresor. Muestra la apaidad de ompresión que debe tener el ompresor para suministrar el luido en las ondiiones neesarias. Debe ser pequeña, pues la eiaia volumétria varía inversamente on la relaión de ompresión. La siguiente tabla muestra la relaión de ompresión de algunos rerigerantes trabajando on un oo río a 5 ºC y un oo aliente a 35 ºC. Relaión de ompresión (-5 o C o C) R-717 R-12 R-22 R , 3,24 3,21 3,4 t ºC abla 2. Relaión de ompresión neesaria para unionar entre -5 y 35 o C on distintos rerigerantes. A modo de ejemplo, tomemos el rerigerante R-12, uya relaión de ompresión para trabajar entre 5 y 35 ºC debe ser 3,24. Si miramos en la gráia de la igura 12, podremos observar que, para que el R-12 realie su ambio de estado a 5 ºC, debe estar aproximadamente a 3 bares, mientras que el ambio de estado a 35 ºC se realizará a 9,7 bares. Es deir, en 173

10 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS el iruito rigoríio que utilie el R-12 omo rerigerante y que trabaje entre 5 y 35 ºC, el ompresor debe tomar el gas a una presión de 3 bares y omprimirlo hasta los 9,7; su relaión de ompresión debe ser: 9,7 3, Calor latente de vaporizaión. Es reomendable un alto valor de alor latente, pues será mayor la antidad de alor absorbida por unidad de masa, es deir, será mayor la produión rigoríia espeíia. Será menor el audal másio de luido en irulaión neesario y permitirá utilizar equipos más pequeños y ompatos, reduiendo la potenia onsumida. En la tabla 1 se muestra el valor del alor latente para algunos rerigerantes Ventajas e inonvenientes de algunos rerigerantes A lo largo de la U.D. se han visto datos en tablas y gráios de distintos luidos rerigerantes; veamos uáles son los motivos que los haen unas vees onvenientes y otras vees no, para usarlos en las máquinas rigoríias. Agua (R-718). Presenta omo ventajas su bajo osto, no inlamable, no tóxio y elevado alor latente. Su prinipal inonveniente onsiste en que requiere de presiones muy bajas para evaporar a bajas temperaturas. Amoníao (R-717). Es un luido de alto alor latente, de bajo oste y de alta presión de vapor. Por otra parte, es tóxio, inlamable y orrosivo. CO 2 (R-744). Es un gas inerte, no tóxio y no inlamable. Su prinipal inonveniente onsiste en que neesita presiones muy elevadas para realizar el ilo. Compuestos halogenados del arbono. Los rerigerantes perteneientes a este grupo son los más utilizados. Son luidos no tóxios, no inlamables, no orrosivos en ausenia de agua y no aetan al olor ni al sabor ni al olor de los produtos rerigerados. Dentro de este grupo están: Los CFC (Cloro-Fluoro-Carbonados). Perteneen a este tipo los rerigerantes R-11, R-12, R-13 y R- 2. Su prinipal inonveniente es que destruyen la apa de ozono, por lo que su utilizaión está restringida según el protoolo de Montreal. Los HCFC (Hidro-Cloro-Fluoro-Carbonados). Perteneen a este tipo los rerigerantes R-22, R123 y R-124. Son menos estables que los CFC, por lo que destruyen en menor medida la apa de ozono. Están siendo utilizados para sustituir los anteriores hasta la apliaión de rerigerantes que no aeten a la apa de ozono. Los HFC (Hidro-Fluoro-Carbonados). Son los rerigerantes del uturo, el R-134a, R-125, R-4a, R-152a y R-23. Su prinipal ventaja deriva del heho de no ontener loro, por lo que no destruyen la apa de ozono. Las nuevas instalaiones deben llevar este tipo de rerigerantes. La tabla 3 muestra las propiedades más signiiativas de algunos de estos rerigerantes. Caraterístias Fórmula moleular Peso moleular emperatura ebulliión a 1 atm emperatura ongelaión emperatura rítia Presión rítia Volumen rítio Densidad rítia C p de líquido a o C C p del vapor a 1 atm C p / C v a 1 atm y o C Densidad vapor sat. a 1 atm Calor latente de vaporiz. a 1 atm Unidades R-11 R-12 R-13 R-22 R-113 R-114 CCI3F CCI2F2 CCIF3 CHCIF2 CCI2F-CCIF2 CCIF2-CCIF2 g/mol 137,38 1,93 4,47 86,48 17,39 17,92 o C 23,8-29,8-81,4 -,8 47,57 3,55 o C o C , ,4 145,7 atm kg/m 2 abs 43,5 44,96,6 42, 38,6 39,8 49,2,9 33,7 34,8 /mol g/,554,558,581,525,576,582 al/g o C,8,236,247 (- o C),335,218,238 al/g o C,137,148,138 (- o C),152,161 (6 o C), ,136 1,136 1,172 (- o C) 1,184 1, (6 o C) 1,88 g/l 5,85 6,33 7,8 4,69 7,38 7,82 al/g 43,51 39,47 35,4 55,92 35,7 32,78 32,2 33,3 abla 3. Caraterístias más signiiativas de algunos luidos rigorígenos. 174

11 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO ACIVIDADES DE ANÁLISIS - AMPLIACIÓN - INVESIGACIÓN VOCABULARIO A lo largo del texto de la unidad apareen los voablos de la lista siguiente. En grupos, tratar de busar su signiiado y trasladarlos al diionario tenológio. Máquina rigoríia. Bomba de alor. Bomba de alor reversible. Eiienia. COP. Calor sensible. Calor latente. emperatura de saturaión. Presión de saturaión. Compresor. Condensador. Evaporador. Bomba de alor aire-aire. Bomba de alor agua-agua. Válvula de uatro vías. Rerigerante. Frigorígeno. Relaión de ompresión. CFC. HCFC. HFC. Válvula de expansión. ANALIZA Y REFLEXIONA 1. (P.A.U. Zaragoza. Septiembre ). Una nevera uniona según un Cilo de Carnot, enriando a una veloidad de 7. kj/hora. La temperatura del interior es de - ºC. En el exterior hay una temperatura de 28 ºC. Se pide: a) ué potenia del motor debe tener la nevera para onseguir esa temperatura? b) Si el rendimiento de la nevera uera del 6% del rendimiento ideal de Carnot, uál debería ser entones la potenia del motor? Soluión: a) ratándose de un Cilo de Carnot, el rendimiento (eiienia) de la máquina queda determinado por las temperaturas entre las que trabaja. En este aso: 273-6,92 - ( ) - (273 - ) Como, además, sabemos que en una hora la máquina absorbe 7. kj, el trabajo que debe reibir en una hora será: ð 7. kj 1.11,56 kj 6,92 Lo que equivale a una potenia de: P t 1.11,56 kj 3.6 s,28 k 2 b) Ahora la eiienia es el 6% de la anterior, es deir, la nueva eiienia es,6 6,92 4,152. Por tanto, el trabajo que se neesita ahora será: COP 7. kj 4, ,93 kj Y la potenia requerida ahora es: 2. (P.A.U. Canarias. Junio 1998). Un rigoríio trabaja entre -5 ºC y 35 ºC y tiene un rendimiento del 25% del ilo ideal. Si la energía absorbida de la uente ría es de 1. J, determina: a) El rendimiento del rigoríio. b) La energía edida a la uente aliente. ) El trabajo ejerido por el ompresor sobre el sistema. Soluión: a) La eiienia ideal del rigoríio es: ,7 - ( ) - (273-5) La eiienia real es el 25% de la ideal, es deir: (real),25 6,7 1,675 b) Para determinar la energía edida a la uente aliente, podemos utilizar otra expresión del COP: ð + - ) Por último, el trabajo se puede deduir de otra expresión del COP: 1. J 1, J 2.395,5 J ð O bien, a partir del primer prinipio: 1. J 1, ,5 J + ð , ,5 J 3. (P.A.U. Canarias. Septiembre ). Una máquina rigoríia trabaja entre dos oos de alor que están a - ºC y 25 ºC de temperatura. El rendimiento de la máquina es la uarta parte del rendimiento del ilo ideal de unionamiento. Si la máquina ede a la uente aliente 2.6 J. Calula: a) El rendimiento del rigoríio. b) Cuánta energía extrae del oo río. ) El trabajo ejerido por el ompresor sobre el sistema. Soluión: a) La eiienia ideal del rigoríio será: 273-7,51 - ( ) - (273 - ) La eiienia real es el 25% de la ideal, es deir: (real),25 7,51 1,878 P t 1.685,93 kj 3.6 s,468 k 468 b) Para determinar la energía edida a la uente aliente podemos utilizar otra expresión del COP: 175

12 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS ð J 1, ,6 J 2,878 ) Por último, el trabajo se puede deduir de otra expresión del COP: ð 1.696,6 J 1,878 O bien, a partir del primer prinipio: 93,4 J + ð ,6 93,4 J AMPLÍA Y PROFUNDIZA 1. Una máquina rigoríia uniona, según el Cilo de Carnot, entre dos uentes de alor, una a -13 ºC y la otra a 27 ºC. Sabiendo que el ompresor es de, alula: a) Eiienia de la máquina trabajando omo rigoríio. b) Eiienia de la máquina trabajando omo bomba de alor. ) Suponiendo que uniona omo rigoríio on una eiienia e 3: 1. Calor que reibe el luido rerigerante en 1 hora 2. Calor que ede el luido rerigerante en 1 hora. 2. Una ámara de ultraongelados requiere una extraión de alor de 75. kj/h para mantener una temperatura de 25 ºC. Para ello se utiliza una máquina rigoríia ideal que expulsa alor al ambiente, que se enuentra a 32 ºC. El ompresor reibe energía de un motor térmio que onsume omo media 3 l de gasoil a la hora y tiene un rendimiento térmio del 6% del ideal. (Dato: P (gasoil). kal/l). Se pide: a) Eiienia de la máquina rigoríia. b) Rendimiento teório y real del motor térmio. ) emperaturas de los oos térmios entre los que trabaja el motor y la máquina rigoríia. d) Calor edido por el onjunto motor + rigoríio al medio ambiente. 3. Se desea undir un bloque de hielo de. kg, iniialmente a ºC. Para ello se utiliza una bomba de alor ideal alimentada mediante un motor elétrio de CV on un rendimiento del %. El evaporador de la bomba se introdue en el agua marina, que se enuentra a 2 ºC, siendo la temperatura ambiente de ºC. Estima el tiempo que se empleará en undir el bloque de hielo. 4. Busa el manual ténio del rigoríio, equipo de aire aondiionado y/o bomba de alor que tienes en asa, y loaliza datos aera del rerigerante que utiliza. 5. Comprueba los datos oreidos de temperatura de ebulliión a 1 atm en la tabla 3 de la U.D. on la gráia de la igura 12. SABÍAS UE... Rendimiento superior al %? Sin duda te habrás planteado ómo es posible que la máquina rigoríia (que ualquier máquina) obtenga un rendimiento superior al %. Realmente esto no es ierto. Este rendimiento se obtiene porque en el álulo sólo se tiene en uenta la energía que nos supone un gasto: el trabajo meánio del ompresor. Sin embargo, la máquina también reibe un aporte energétio desde el oo río que, al ser una energía que tomamos gratuitamente del ambiente, no se tiene en uenta para determinar el rendimiento, pero que, desde luego, es utilizada por la máquina para onseguir la energía inal. Válvula de expansión en orma de tubo apilar. Como hemos visto, la válvula de expansión es el elemento que separa las zonas de alta y baja presión en una máquina rigoríia. En los rigoríios doméstios, esta válvula no existe omo tal, sino que se trata de un tubo de pequeño diámetro y gran longitud, denominado tubo apilar. Su unionamiento onsiste en que, al pasar el líquido rerigerante a través de este tubo, pierde presión a ausa de la riión on las paredes interiores. A nivel industrial, las válvulas de expansión son válvulas automátias uya apertura y ierre se realiza uando la instalaión lo requiere y, además, son regulables por el usuario de auerdo on las ondiiones de trabajo de la máquina, mejorándose notablemente el rendimiento. Destruión de la apa de ozono. Cuando los ompuestos que ontienen átomos de loro alanzan la estratosera son ataados por los rayos ultravioletas del sol, reaionando químiamente y liberando los átomos de loro. El loro ataa las moléulas de ozono, rompiéndolas en una moléula de oxígeno y una de monóxido de loro. Más tarde, una moléula de oxígeno rompe la moléula de monóxido de loro, liberando el átomo de loro que repite nuevamente el proeso de destruión del ozono. Se supone que ada átomo de loro destruye una media de. moléulas de ozono antes de ser neutralizado al mezlarse on algún ompuesto químio. Para identiiar la apaidad de destruión de la apa de ozono por parte de los luidos rerigerantes, se aporta omo araterístias de estos su Potenial de Destruión de Ozono, onoido por sus iniiales, en inglés, ODP. Los rerigerantes deinitivos son los HFC pues su ODP. Protoolo de Montreal. Desde que en 1974 los ientíios Sherwood Rowland y Mario Molina desubrieran que los CFC destruyen la apa de ozono, se han suedido los patos internaionales para llegar a un auerdo de proteión de la apa de ozono. El último y, paree que deinitivo, ue el protoolo de Montreal, susrito en 1987 y ratiiado en 199. Según este auerdo alanzado por 9 países, se deidió reduir en 1998 a la mitad el onsumo y la produión de los CFC, a partir de los valores de Denominaión de los rerigerantes. La denominaión simbólia numéria de los luidos rerigerantes se establee 176

13 Unidad 9. CIRCUIO FRIGORÍFICO a partir de su órmula químia. Para identiiar a los rerigerantes se utiliza la letra R seguida de dos o tres dígitos uyo valor se obtiene según la siguiente expresión: C m H n Cl y F x R - (m - 1) (n + 1) x Es deir, el dígito de las unidades india el número de átomos de lúor. El dígito de las deenas, el número de átomos de hidrógeno más uno. Y el dígito de las entenas, el número de átomos de arbono menos uno. Si este dígito es ero, se suprime. Los ompuestos inorgánios se designan añadiendo a 7 el peso moleular del ompuesto. Criogenia. Es la ienia y la ténia de produir temperaturas por debajo de los 1 K. Para produir estas temperaturas se utilizan gases liuados on puntos de ebulliión muy bajos, omo el nitrógeno, el hidrógeno y el helio, omo rerigerantes en una máquina rigoríia denominada riorrerigerador. Crioirugía. Es la parte de la irugía que reurre a ténias de ongelaión loal durante las operaiones. Se utiliza sobre todo en otalmología para la reparaión de retinas dañadas y en operaiones de ataratas. ambién se utiliza en el tratamiento del mal de Parkinson, destruyendo quirúrgiamente la parte del tálamo erebral que ontrola los impulsos que provoan los temblores inontrolables de brazos y piernas araterístias de esta enermedad. 177

14 Bloque emátio II. PRINCIPIOS DE MÁUINAS AUOEV OEVAL ALUACIÓN Contesta al siguiente uestionario de autoevaluaión. en presente que pueden existir más de una respuesta válida. Mara la/s respuesta/s válida/s on una ruz delante de la letra orrespondiente. 1. Una máquina rigoríia: a) Extrae alor de la uente ría y ede alor a la uente aliente. b) Funiona de modo inverso a un motor térmio, es deir, extrae alor de la uente ría y ede alor a la máquina. ) Funiona de modo inverso al motor térmio, es deir, onsume trabajo y genera alor. d) Requiere para su unionamiento dos oos térmios alejados, pero a igual temperatura. 2. El rendimiento ideal de una máquina rigoríia: a) Depende del alor que se pierde en el ompresor. b) Aumenta al disminuir el onsumo del ompresor. ) Depende úniamente de las temperaturas de los oos entre los que trabaja. d) Es igual tanto en invierno omo en verano. 3. El rendimiento ideal de una máquina rigoríia: a) Suele estar omprendido entre el y el 9%. b) Será siempre superior al %, por lo que se denomina eiienia. ) Es el mismo tanto si trabaja omo rerigerador o trabajando omo aleator. d) rabajando omo rerigerador es superior al que se onsigue trabajando omo aleator. 4. El alor latente: a) Suele ser muy pequeño, inerior al alor sensible. b) Se dierenia del alor sensible en que no es pereptible. ) Es el alor que neesita el hielo para pasar de sólido a vapor. d) Es el alor que debe tomar o eder una sustania uando está realizando un ambio de estado. 5. La temperatura de saturaión: a) Es aquella a la que el luido no puede ontener más energía interna. No se puede superar. b) Es la temperatura a la que se produe el ambio de estado a presión atmoséria. ) Es la temperatura a la que se produe el ambio de estado de una disoluión saturada. d) Su valor depende de la presión de saturaión. 6. Los elementos que onstituyen un iruito rigoríio son: a) Motor, ompresor, evaporador y ondensador. b) Compresor, ondensador, válvula de expansión y evaporador. ) Compartimento superior, ompartimento inerior, aislante y rejilla trasera. d) Foo río, luido rerigerante, oo aliente y ompresor. 7. El valor del COP de una máquina rigoríia real trabajando omo rerigerador: a) Es siempre mayor que 1. b) Se alula a partir de las temperaturas de los oos río y aliente. ) Es igual al oiente entre los alores extraídos y edidos por la máquina. d) Es igual al oiente entre el alor extraído del oo río y el trabajo onsumido por el ompresor. 8. El valor del COP de una bomba de alor real: a) Es siempre mayor que 1. b) Se alula a partir de las temperaturas de los oos río y aliente. ) Es igual al oiente entre los alores extraídos y edidos por la máquina. d) Es igual al oiente entre el alor extraído del oo río y el trabajo onsumido por el ompresor. 9. Sobre la bomba de alor reversible... a) Según desee el usuario, el luido toma alor del oo río y lo ede al aliente, o bien, toma alor del oo aliente y lo ede al oo río. b) Mediante una válvula de uatro vías, el luido irula desde el ompresor haia la válvula de expansión, o bien desde la válvula de expansión haia el ompresor. ) Funione omo rerigerador o omo bomba de alor, el sentido del luido a través del ompresor se realiza siempre en el mismo sentido. d) Mediante la válvula de uatro vías se puede invertir el sentido de irulaión del luido, por lo que el ilo termodinámio se realiza unas vees en el sentido de las agujas del reloj y otras vees en sentido inverso.. En uanto a los luidos rerigerantes: a) odos los que se utilizan atualmente son perjudiiales para la apa de ozono. b) Aquellos que ontienen loro serán eliminados en un uturo por ser perjudiiales para la apa de ozono. ) Su denominaión onsta de un R seguida del número atómio de los átomos que lo orman. d) Se trata de sustanias que, a temperatura ambiente y presión atmoséria, son gaseosos. 178