Principios de máquinas: máquinas frigoríficas

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1 Página 1 de 5 I. INTRODUCCIÓN Principios de máquinas: máquinas frigoríficas El calor es una manifestación de la energía. Cualquier forma de energía puede transformarse en calor integramente, sin embargo la energía térmica no puede transformarse íntegramente en otra forma de energía, ya que según postula el 2º principio de la Termodinámica para que exista transferencia de energía entre dos cuerpos debe existir una diferencia de temperaturas: un foco caliente y un foco caliente. En ambos casos, la equivalencia entre calor y energía es : 1 caloría = 4'18 julios Para que un cuerpo pase de estado gaseoso a líquido (licuefacción o condensación) es necesario enfriarlo, es decir sustraerle calor. Para que un cuerpo pase de estado líquido a gaseoso (vaporización) es necesario calentarlo, es decir absorbe calor. II. LAS MÁQUINAS FRIGORÍFICAS Dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un cuerpo o lugar. Una máquina frigorífica intercambia calor entre dos lugares; para realizar esto se sirve de un fluido que absorbe y cede calor, cambiando de estado. Este fluido se llama fluido frigorígeno el cual debe cumplir ciertas características para que se pueda utilizar como tal: No tóxico No inflamable Viscoso No corrosivo Estos fluidos pueden ser : agua, etano, propano, amoníaco, cloruro de metileno, CFC (clorofluorocarbonos) o freones,restringidos en la mayoría de países debido a que son los causantes de la destrucción de la capa de ozono. Funcionamiento y constitución La máquina frigorífica toma calor (Q2) de un foco frío, denominado evaporador, y cede calor (Q1) a un foco caliente, llamado condensador. La base del funcionamiento es el fenómeno de la vaporización de un líquido, proceso endotérmico que se lleva a cabo utilizando fluidos de bajo punto de ebullición, que se vaporizan al circular en estado líquido por el evaporador, absorbiendo calor del ambiente que se quiere mantener frío; el vapor obtenido se condensa mediante un compresor. Para mover este compresor es necesario aportar energía mecánica al sistema. W E + Q2 = Q1

2 Página 2 de 5 De A a B se produce la compresión del fluido: el volumen disminuye y la presión aumenta. La máquina recibe la energía necesaria para comprimir el fluido. Esto lo realiza el compresor que tiene una doble función: comprimir los vapores del fluido y facilitar la circulación de éste. De B a C se produce en el condensador la licuefacción del fluido a presión constante, y el volumen disminuye. En esta fase la máquina cede calor al exterior, bien al aire bien al agua de refrigeración. De C a D se origina la expansión del fluido con un ligero aumento de volumen y disminución de la presión. De D a A se produce la evaporación en el evaporador, a presión constante con aumento de volumen. La máquina absorbe calor del recinto a enfriar. Diagrama P-V del ciclo de Carnot inverso Diagrama de bloques de una máquina frigorífica El ejemplo más claro de máquina frigorífica es el conocido frigorífico o nevera, pero también son máquinas frigoríficas los aparatos de aire acondicionado o las bombas de calor ( éstas funcionan de modo inverso a los primeros). El "rendimiento" de una máquina frigorífica se denomina eficiencia o efecto frigorífico y es la relación entre el calor absorbido del foco frío Q2 y el trabajo utilizado W.

3 Página 3 de 5 III. FRIGORÍFICOS DOMÉSTICOS Los primeros frigoríficos aparecieron en EEUU y eran armarios en cuya parte superior se colocaban trozos de hielo, y los alimentos se colocaban en la parte inferior. Después se sustituyó el hielo por amoníaco, el cual al evaporarse absorbía el calor de los alimentos. Más tarde, se ideó un sistema para condensar los vapores del amoníaco para volver a reutilizarlo. Así surgieron los primeros frigoríficos. Un frigorífico doméstico se compone de evaporador, condensador, expansor, compresor y termostato. Los compresores pueden ser rotativos o alternativos. Compresor Alternativo Compresor rotativo El termostato es un dispositivo de control automático que permite conectar o desconectar el compresor en función de la temperatura del frigorífico: cuando la temperatura interna alcanza el valor adecuado el termostato desconecta el sistema y cuando la temperatura aumenta por encima de unos valores de tolerancia el termostato vuelve a conectar el sistema. IV. BOMBA DE CALOR Es una máquina frigorífica capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un determinado espacio. La diferencia con una máquina frigorífica está en que se destina a producir calor en el condensador.

4 Página 4 de 5 Se define el rendimiento o COP (coefficient of perfomance) como el cociente entre el calor suministrado por el condensador o calor cedido al foco caliente entre la energía consumida por el compresor. El rendimiento o COP será mayor que la unidad, por ejemplo en el siguiente esquema el COP es 2'5 Esto significa que por cada Kwh consumido por el compresor se desprenden 2'5 kwh 864 kcal/kwh = 2160 kcal; si se utilizase una resistencia eléctrica el máximo calor desprendido sería 864 kcal. Por lo tanto, la bomba de calor utiliza el segundo principio de la Termodinámica para un mejor aprovechamiento de cada kilowatio-hora consumido; la energía eléctrica sirve en este caso para trasladar el calor disponible al lugar deseado. El rendimiento también se puede expresar en función de las temperaturas absolutas del foco frío y del foco caliente: Esto significa que cuanto menor sea la diferencia entre las dos temperaturas, mayor será el rendimiento de la bomba de calor.

5 Página 5 de 5 A partir de los datos de temperatura de los focos frio y caliente y de la cantidad de energía aportada a la máquina, se puede obtener la cantidad de calor cedida al foco caliente y la cantidad de calor sustraida del foco frío. Las bombas de calor se suelen clasificar según el elemento o el medio que está en contacto con el evaporador y el condensador. Este elemento puede ser agua, aire o el suelo. En el siguiente dibujo se muestra una bomba de calor aire-aire; para ayudar a circular el aire se emplean dos ventiladores. Las bombas de calor suelen ser reversibles, es decir, pueden funcionar como dispositivos de calefacción en invierno y como aire acondicionado en verano.

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