MÁQUINAS DE COMPRESIÓN SIMPLE

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1 FASES DE ESTUDIO MÁQUINAS DE COMPRESIÓN SIMPLE BASE TERMODINAMICA. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag Pag FASES DE ESTUDIO. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle MÁQUINAS DITÉRMICAS Interacción con el exterior Si se iensa en una máquina térmica "M" que evoluciona cíclicamente, en régimen ermanente, con intercambio de calor con dos fuentes térmicas "F " y "F ", a temeraturas "T " y "T " (T > T ), y aorte externo de energía mecánica, odemos decir que ara un ciclo, o ara un tiemo "t" en el que se han sucedido "n" ciclos comletos, la máquina ha recibido una cantidad "W" de trabajo externo y unas cantidades de calor "Q "y "Q " de las fuentes. Q. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag Pag

2 I Princiio. Balance energético II Princiio de la Termodinámica Fuente alta T. (T ) Fuente alta T. (T ) Ganancia de entroía Q Q - Máquina Δs = 0 (ciclo) Q Fuente baja T. (T ) W W + Q Q = 0 Q Fuente baja T. (T ) W - Fuente caliente - Fuente fría. II Princiio Q Δs = - T Q Δs= - T Q Q 0 Δ su = - - T T Pag 5 Pag 6 MÁQUINAS DITÉRMICAS Sentidos de las otencias Evidentemente en una máquina de roducción de frío se debe cumlir: Combinando los dos rinciios. Q > 0 T T - Δ = W - T s u Q T 0 Siendo necesaria la adición de energía externa, or lo que: Se deduce finalmente: W >0 Q <0 > Q Q MÁQUINAS DITÉRMICAS Eficiencia máquina frigorífica Partiendo de la ecuación obtenida anteriormente. T - T T Δ s u = W - Q T Se obtiene como coeficiente de efecto frigorífico C.O.P, relación entre el efecto útil y la otencia consumida ara obtenerlo: COP MF Q T = = W T - T 0 T - Δ s W u Pag 7 Pag 8

3 MÁQUINAS DITÉRMICAS Bomba de calor Es ahora "Q " el efecto buscado, conservándose "W" como la energía necesaria ara la consecución del ciclo. El término "bomba de calor" se debe a que el efecto útil "Q " se obtiene or "bombeo" del calor extraído de la fuente fría, esta energía, junto a la mecánica absorbida, son las cedidas a la fuente caliente. MÁQUINAS DITÉRMICAS Eficiencia como bomba de calor De haber eliminado la otencia absorbida de la fuente fría. W = - Q T - T T Se obtiene como coeficiente de efecto frigorífico C.O.P, de utilizar como efecto útil laotencia cedida a la fuente caliente (BOMBA DE CALOR). + T Δ s u COP BC Q Q Q+W = = - = = COP W W W Δ s = T T u - - T T W MF += Pag 9 Pag 0 MÁQUINAS DITÉRMICAS Comentarios sobre el COP Puede observarse que los máximos valores de eficiencia son de T /(T - T ) y T /(T -T ), hecho que se roduce con funcionamiento de la máquina de manera totalmente reversible, udiendo concluir que la eficacia disminuirá al aumentar el grado de irreversiblidad de las transformaciones que integran el ciclo. Un análisis de la exresión deducida ara el máximo COP, obtenible en una máquina frigorífica ditérmica de comresión, ermite decir que su valor tomará un valor suerior a la unidad siemre que se cumla: MÁQUINAS DITÉRMICAS Ciclo de CARNOT El ciclo de Carnot, al estar integrado or un conjunto de transformaciones reversibles, va a resentar el máximo rendimiento osible de una máquina frigorífica evolucionando entre dos temeraturas. [ C] > T [ C] - T [ C] T Pag Pag

4 MÁQUINAS DITÉRMICAS Transformaciones ciclo CARNOT MÁQUINAS DITÉRMICAS Potencias según CARNOT T [K] T ; Comresión ideal isoentróica. ; Cesión de calor reversible (isoterma e isobárica). ; Exansión ideal isoentróica. ; Absorción de calor reversible (isoterma e isobárica) T [K] T = T ( s - s ) Q = T ( s - s ) Q T T W = Q - Q =( s - s )(T - T ) a s [kj kg - K - ] b a s [kj kg - K - ] b Nota.- Saturación en los estados y Pag Pag MÁQUINAS DITÉRMICAS Eficiencia ciclo CARNOT Máximos valores osibles trabajando entre los mismos valores de temeratura (dado que el conjunto de transformaciones se roducen de forma reversible). COP COP MF BC Q T (Carnot)= = W T - T Q T (Carnot)= = W T - T MÁQUINAS DITÉRMICAS Conclusiones al ciclo CARNOT Las exresiones del COP, derivadas del análisis del ciclo de Carnot, coinciden con los máximos valores osibles, válidas ara cualquier máquina térmica que intercambia calor con dos fuentes a distinta temeratura. Como ya se ha indicado, las transformaciones que comonen el ciclo de Carnot son reversibles, or tanto ideales e irrealizables en la ráctica, no obstante el cálculo del COP corresondiente a este ciclo nos indicará, or comaración con el encontrado en una instalación real, lo alejados que nos encontramos de las condiciones ótimas. Pag 5 Pag 6

5 FASES DE ESTUDIO MÁQUINA PERFECTA. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle La imosibilidad de realización de una máquina que describa el ciclo de Carnot conlleva una serie de modificaciones con resecto a éste. Un rimer aso es la definición del llamado ciclo de una máquina erfecta. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag 7 Pag 8 MÁQUINA PERFECTA Diferencias con el ciclo de Carnot La comresión ermanece ideal (isoentróica), ero su inicio se roduce en forma de vaor saturado seco, ara evitar las entradas de líquido a comresor. La absorción y cesión de otencia térmica ermanecen, como en el ciclo de Carnot, reversibles. La exansión tiene lugar en un disositivo en el que el fluido exerimenta una transformación isoentálica, y or tanto irreversible. Esta última transformación elimina la característica de ciclo reversible al de la máquina erfecta. MÁQUINA PERFECTA Diagrama T-s T Q& condensación Q& evaoración P consumida s Pag 9 Pag 0 5

6 DIAGRAMA -h MÁQUINA PERFECTA Diagrama -h ; Comresión ideal isoentróica. ; Cesión de calor reversible ( isobárica). ; Exansión no ideal isoentálica. ; Absorción de calor reversible (isoterma e isobárica) h Nota.- Saturación en los estados y Pag Pag COMPRESION Asiración; vaores a B.P. de evaorador Descarga; vaores A.P. a condensador MÁQUINA PERFECTA Comresión Comresión isoentróica, or tanto reversible, no obstante a diferencia del ciclo de Carnot, va a tener lugar en la zona de vaor recalentado, lo cual se debe, como osteriormente se comentará, a la búsqueda de un aumento en la caacidad de roducción de frío y a evitar los goles de líquido. El equio destinado a efectuar esta transformación es el comresor, el cual realiza dos imortantes funciones, or un lado la absorción de los vaores de baja resión, en estado "" (vaor saturado seco) y or otro la descarga osterior de éstos a una resión suerior, tal que uedan ser condensados con la ayuda de un medio exterior. Además, aseguran la circulación del fluido a través de todos los órganos de la instalación. Pag Pag 6

7 CONDENSACION Vaor A.P. de comrersor MÁQUINA PERFECTA Condensación Los vaores suministrados or el comresor son condensados de manera reversible, lo cual recisa que la diferencia de temeraturas, entre el fluido circulante or la instalación y el agente exterior de condensación, sea de un infinitésimo. El equio revisto ara este fin es un intercambiador de calor llamado "condensador" que, en razón de la diferencia de temeraturas definida, debe oseer una suerficie de termotransferencia infinita. Este cambiador de calor, or hiótesis, no debe introducir érdidas de carga en el circuito refrigerante. Liquido A.P. a exansor Pag 5 Pag 6 EXPANSION MÁQUINA PERFECTA Exansión Mezcla L-V BP B.P. a evaorador Se disone de un disositivo de exansión, en la que se roduce, sin intercambio de energía mecánica o calorífica (isoentálica), el aso de la alta a la baja resión. Esta transformación es de carácter irreversible, en contraste con la que se roducía en el ciclo de Carnot. La utilización de este elemento, en lugar de un exansor isoentróico que rodujese un roceso reversible, conduce a una érdida de energía mecánica y a un descenso en la eficacia. A esar del beneficio que, desde el unto de vista energético, suone la utilización del exansor isoentróico, éste no es usado en la ráctica or su comlicado mantenimiento y la dificultad de arovechamiento del trabajo que desarrolla, en su lugar se utiliza el disositivo de exansión isoentálico cuyas virtudes rimordiales son simlicidad y fiabilidad Liquido A.P. de condensador Pag 7 Pag 8 7

8 EVAPORACION. EFECTO UTIL MÁQUINA PERFECTA Evaoración Vaor + liquido de exansor La disosición de un segundo intercambiador de calor, en el que or adición de calor de la fuente fría se consigue la vaorización a baja temeratura del orcentaje de líquido en condiciones "". Este equio se denomina "evaorador" y su funcionamiento es similar al del condensador, es decir, el roceso es reversible y sin érdidas de carga, lo que va a imlicar también ahora una suerficie infinita. La salida de este evaorador roduce un vaor en estado de saturación, ato ara ser absorbido or el comresor. Vaor de refrigerante a comresor Pag 9 Pag 0 Elementos básicos Pag Pag 8

9 FASES DE ESTUDIO. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag Pag MÁQUINA REAL Se ha visto en el estudio de una máquina erfecta una serie de circunstancias que van a imedir su construcción real, or lo cual, en la ráctica, no sólo hay que alejarse del ciclo reversible de Carnot sino incluso del de la máquina de comresión erfecta. MÁQUINA REAL Diferencias con la erfecta La comresión no es ideal (isoentróica) en los equios reales, or lo que la transformación tendrá lugar con aumento de entroía. La absorción y cesión de otencia térmica no ueden realizarse de manera reversible, ues esto suondría trabajar con una diferencia de temeraturas de un infinitésimo entre el fluido frigorígeno y el fluido externo, or lo que se necesitarían suerficies infinitas ara lograrlo. En la ráctica no sólo hay que alejarse de la máquina de Carnot, sino incluso de la máquina erfecta. Pag 5 Pag 6 9

10 MÁQUINA REAL Fluido de condensación La cantidad de vaor cedida or el fluido refrigerante al agente condensante es: Q = M c k Analizando la exresión anterior, se observa que a mayor caudal corresonde un menor calentamiento del agente condensante, no obstante esta diferencia se ve limitada or los siguientes factores: El aso del agente condensante recisa un consumo de energía mecánica (bombab ara el agua, ventilador ara el aire), que es tanto mayor cuanto mayor sea la masa circulante, encontrándose unas érdidas de carga en el intercambiador roorcionales al cuadrado del caudal y un consumo de energía roorcional al cubo de ese caudal. El consumo de agente condensante uede ser un factor de coste en la instalación, or lo que es necesario la otimización de este gasto. (T S - T E ) MÁQUINA REAL Salto de tem. en condensador Por lo que se refiere a la suerficie de trasaso de calor, esta no uede ser infinita, y dado que en base a la teoría de transferencia de calor uede escribirse que: Qk =U S ΔT lm U = coeficiente global de transmisión de calor S = suerficie de aso de calor ΔTlm = incremento de temeratura logarítmico medio. Debe tomarse un valor adecuado ara el funcionamiento económico de la máquina y el costo de la instalación, siendo los valores normalmente adotados de: - 5 a 7 C en caso de agua como agente condensante - 0 a 5 C en caso de aire como agente condensante Pag 7 Pag 8 MÁQUINA REAL Evaorador. Salto térmico Transformaciones irreversibles. Diagrama En el caso del intercambiador que recibe calor de la fuente fría, la diferencia de temeraturas entre la del fluido refrigerante y la temeratura media del fluido a enfriar, va a deender del fin buscado, distinguiéndose dos casos generales: - Enfriamiento de un líquido (frigorífero); en este caso si definimos una temeratura media "Tm" en el frigorífero, y siendo "T0" la temeratura de evaoración, se suelen contemlar unos valores de Tm-T0 = 5 7ºC. - Enfriamiento del aire de una cámara; en las instalaciones en que el aire se utiliza como agente de transorte de calor entre la carga almacenada y el circuito de enfriamiento, es necesario considerar que el aire es una mezcla gaseosa de dos comonentes, aire seco y agua, or lo que la definición de un estado recisa el conocimiento de dos variables sicrométricas (dado que se considera la resión total de la mezcla como una constante), que en general son la temeratura seca y la humedad relativa. - La humedad relativa es articularmente imortante en las cámaras de almacenamiento de roductos erecederos, ya que va a incidir sobre las érdidas de masa del material, y este grado de humedad es el factor rimario a la hora de adjudicar el valor de la diferencia entre "Tm" y "T0". K M m o T M = tem. media del agente de condensación. T m = tem. media del agente a enfriar. T ΔT K ' T M T m To ΔT h Pag 9 Pag 0 0

11 Transformaciones irreversibles CICLO DE COMPRESION Para la máquina erfecta. ΔT ΔT = 0 = 0 ( K ( = m M = o ) ) Exansor Condensador Para la máquina real. Incrementos de temeratura finitos. K t r = > t o t = M m Evaorador resor Comr Pag Pag MÁQUINA REAL Desviaciones con el ciclo básico LA MÁQUINA REAL DE COMPRESIÓN Subenfriamiento del líquido en salida del condensador. Recalentamiento del vaor antes de comresión. Presencia del disositivo (intercambiador intermedio) de subenfriamiento de líquido y recalentamiento del vaor. Pérdidas de carga. Efectos debidos a comresor. Otras desviaciones Pag Pag

12 Subenfriamiento de líquido. T f corresonde a la del agente externo de condensación. Fábrica cerveza Subenfriamiento de líquido. Agente externo CO T f corresonde a la de gasificación del CO K T' f 5 ' K T' f 5 ' o 6 o 6 h h Pag 5 Pag 6 Subenfriamiento de líquido. El subenfriamiento del líquido revio al disositivo de laminación, roducido bien en el roio condensador, bien en disositivos ideados a tal efecto, es un roceso muy corriente, ya que el condensador suele ser un intercambiador róximo al tio "contracorriente", en el que la entrada del agente condensante intercambia calor con el último tramo del condensador. La entrada de líquido en la válvula de exansión se efectúa ahora en el estado del unto "5", siendo el subenfriamiento efectuado desde "" a "5". El límite teórico, al cual uede llegar la temeratura del fluido refrigerante, es la temeratura de entrada del fluido de condensación, esto es en la ráctica imosible, ya que imlica un comortamiento ideal del disositivo intercambiador, or lo que siemre existirá una diferencia mayor que cero entre las temeraturas de "5" y la de entrada del agente condensante, esto es: T - T 5 f >0 Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) La tecnología LPA modifica un sistema de comresión introduciendo una bomba de circulación a la salida del disositivo de condensación, de tal manera que aumenta la resión en la entrada a la válvula de exansión, consiguiendo de esta manera un subenfriamiento del líquido a la entrada del disositivo. Mediante el incremento de resión del refrigerante líquido, aumenta la temeratura de saturación asociada debido a dicho incremento, mientras que la temeratura real del líquido no varía areciablemente. El líquido, or tanto, está subenfriado y no se evaora or influencia de las érdidas de resión en la tubería de líquido. Pag 7 Pag 8

13 Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) [Bar] sb ev K h [kj/kg] Pag 9 Pag 50 Recalentamiento del vaor 8 K 0 7 Recalentamiento =T 7 -T Recalentamiento del vaor El recalentamiento de vaor, desde el estado de saturación hasta un unto en la zona de vaor recalentado, uede tener lugar: - En el mismo intercambiador (evaoradores secos), en los cuales todo el líquido asa a vaor y sufre además un recalentamiento osterior antes de su salida del equio. Este recalentamiento se llama útil ues se roduce or adición de calor desde la carga almacenada. - En el trayecto de asiración del comresor, desde la salida del intercambiador hasta la entrada del comresor. Si el recalentamiento se efectúa en la cámara sigue siendo un efecto útil, ero si tiene lugar fuera de ella se denomina "menos útil", dado que este roceso aún no absorbiendo calor de la carga uede deberse a un enfriamiento de órganos anejos, tales como devanado de motores eléctricos, enfriamiento de muelles de carga, etc. h Pag 5 Pag 5

14 Recalentamiento del vaor. Tios evaoradores Recalentamiento del vaor En caso de recalentamiento de vaor, la entrada al comresor se roduce en estado "7". Este recalentamiento de vaor asegura la ausencia de líquido en la entrada del comresor y or tanto la imosibilidad de goles de líquido, no obstante, al aumentar la temeratura antes de la comresión, será mayor la de los vaores de escae al finalizar ésta, aumento que será rogresivo debido al incremento de la inclinación de las isoentróicas a medida que nos adentramos en la zona de vaor recalentado, este efecto roduce, en algunos refrigerantes, unas temeraturas finales de comresión elevadas, y or tanto eligrosas ara la vida del equio. En efecto, si consideramos comortamiento erfecto ara el fluido refrigerante y transformación adiabática: Evaorador seco Evaorador inundado T 8 K = T7 0 n n c n= c or lo que la temeratura final será mayor cuanto mayor sea la tasa de comresión y la relación de calores esecíficos. Evidentemente, todo recalentamiento se acomaña de un aumento de volumen esecífico, or lo que si el disositivo de comresión es del tio volumétrico, el caudal másico circulante disminuye con este aumento de temeratura en el vaor. v Pag 5 Pag 5 Recalentamiento del vaor. Alta tem. descarga Sub. y recalentamiento conjunto El recalentamiento de vaor y el subenfriamiento de líquido uede ser conseguidos simultáneamente mediante un intercambiador intermedio Pag 55 Pag 56

15 SITUACION DEL INTERCAMBIADOR SITUACION DEL INTERCAMBIADOR Condensador Condensador Exansor Comresor Evaorador Exansor Evaorador I.I. Com mresor Pag 57 Pag 58 CICLOS CON Y SIN INTERCAMBIADOR CARACTERISTICAS BASICAS [bar] c L ( T T ' ) c v ( T ' T ) h [kj/kg] Asectos ositivos: - Aumento de la roducción frigorífica esecífica en evaorador. - Subenfriamiento del liquido, revio a exansor, lo que asegura únicamente fase líquida a la entrada del disositivo. - Seguridad de únicamente fase vaor en asiración a comresor. Asectos negativos: - Aumento del volumen esecífico en asiración, con el descenso consiguiente del caudal másico movido or comresor. - Aumento de la temeratura final en descarga de comresor. - Aumento de las érdidas de carga tanto en la línea de líquido como en la de asiración. - Posible trama ara el retorno de lubricante. Pag 59 Pag 60 5

16 Sub. y recalentamiento conjunto CRITERIOS TEORICOS AUMENTO DEL COP Balance energético en el intercambiador intermedio. (T - T ) = c en la que cv y cl son los calores esecíficos medios de las fases vaor y líquido, y dado que: c v < c L (T - T c v 7 L 5 el salto de temeraturas en la fase vaor suera la que se roduce en la fase líquida. ) APREA DOMANSKY λ c T 0 v ( h' h ) > ( h T' h ) T ( T T ) K 0 c c L v v > v ' ' v ( T T ) ' Pag 6 Pag 6 Pérdidas de carga En la máquina real, el aso de fluido refrigerante a través de los distintos comonentes se acomaña de unas érdidas de carga, las cuales van a deender: - Del tio y dimensiones de los intercambiadores elegidos como condensador y evaorador. - De las dimensiones (longitud y diámetro) de las tuberías que interconectan los distintos comonentes, así como de la resencia de singularidades. - De las roiedades físicas del refrigerante Pérdidas de carga K o Δ Δ h t = K + Δ - Δ o Pag 6 Pag 6 6

17 Esquema total del ciclo real FASES DE ESTUDIO 5 s a". Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle 6 b" c" h. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag 65 Pag 66 Elemento genérico. Cada uno de los equios, en los que se roducen las transformaciones que comonen un ciclo, uede ser considerado como un sistema abierto con una entrada y su corresondiente salida. E V E T E E Z E Q W S Z S S V S T S Balance en elemento genérico. El sistema recibe una energía mecánica "W" y una calorífica "Q", ambas del exterior, or lo que la ecuación de la energía en régimen ermanente viene dada or: v v + E + g z + V +Q +W = u + s ue E E E S + g zs + S V S Energías; u = interna; v/ = cinética; g.z = otencial;.v = de deslazamiento. Desreciando las diferencias de energías cinética y otencial h (entalía) = u + V he + Q +W h S Pag 67 Pag 68 7

18 Alicación del balance energético FASES DE ESTUDIO Intercambiadores de calor Comresores adiabáticos Válvulas de exansión Q = h S W = h h E S = h - h - h S E E. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo Pag 69 Pag 70 MAGNITUDES CARACTERISTICAS ESPECIFICAS TOTALES PRESTACIONES PROD. FRIGOR. ESPECIF. POTENCIA FRIGORIF. COP PROD. FRIGOR. VOLUM. CAUDAL MASICO POTENCIA FRIGORIF. ESPECIF. TRABAJO ISOENTROP ESPECIF. POTENCIA MECANICA PRECISA TRABAJO REAL ESPECIF. POTENCIA CALORIF. CONDENS. Pag 7 8