UNIVERSIDAD TÉCNICA NACIONAL SEDE PACÍFICO INGENIERÍA EN PRODUCCIÓN INDUSTRIAL. TEMA: "ciclos de refrigeración"

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1 UNIVERSIDAD TÉCNICA NACIONAL SEDE PACÍFICO INGENIERÍA EN PRODUCCIÓN INDUSTRIAL TEMA: "ciclos de refrigeración" INTEGRANTES: Ligia Castro Moraga Marina Elizondo Vargas PROFESOR: Luis Alberto Montealegre Abril 2018

2 Introducción La refrigeración está en nuestra vida cotidiana, sin embargo, pocas veces analizamos la importancia o funcionamiento que este tiene en nuestras labores diarias, desde el almacenamiento de la comida en nuestro hogar, hasta para congelar alimentos a nivel industrial, también en los procesos de pasteurización a nivel industrial utilizando sistemas de enfriamiento especial. Todo esto con el fin de retardar la descomposición por microorganismos, el deterioro por procesos químicos o físicos. Logrando una ampliación restringida del tiempo de almacenamiento por enfriamiento a temperaturas arriba del punto de congelación. También tiene importancia en la medicina, para conservación de la sangre, conservación de órganos, o en la criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas, motores de combustión interna, máquinas-herramientas, aparatos electrónicos. Por esto es importante tener claro el concepto de refrigeración, los ciclos y los componentes básicos que permiten su función como: el compresor, el condensador, la válvula de expansión, el evaporador Así que entiéndase por refrigeración al enfriamiento de alguna sustancia, pero enfriar es extraer calor y para extraer calor necesitamos un foco más frio que la sustancia que debemos enfriar, por este motivo en esta investigación se pondrá en práctica los aspectos importantes de los refrigeradores, con respecto a la primera y segunda ley de la termodinámica.

3 Objetivo general Estudiar los aspectos importantes del funcionamiento de los refrigeradores desde la aplicación de la termodinámica. Objetivos específicos Determinar el funcionamiento de un refrigerador y sus componentes. Establecer la diferencia entre una maquina térmica y un refrigerador. Explicar cómo alcanzar la expresión cuantitativa de la eficiencia de los refrigeradores a partir de las leyes de la termodinámica. Desarrollo Funcionamiento de un refrigerador Es necesario saber que naturalmente, el calor fluye de un sistema de alta temperatura a uno de menor temperatura. Por lo tanto, lo que debe hacer un refrigerador es el proceso opuesto. Las partes principales del ciclo de refrigeración son las siguientes: EVAPORADOR. Esta es la parte que absorbe el calor, con la ayuda del refrigerante en estado gaseoso. COMPRESOR. Funciona usando un motor y su función es comprimir el refrigerante, es decir, reducir su volumen, con lo que disminuye su temperatura también. CONDENSADOR. Su función es hacer que el refrigerante se condense, es decir, pase a su estado líquido. VÁLVULA DE EXPANSIÓN. La válvula de expansión reduce la presión sobre el refrigerante líquido. Los refrigeradores trabajan de manera inversa a una maquina térmica, es decir el refrigerador toma el calor de un lugar frio, que por lo general es el interior del refrigerador y cede calor a un lugar más caliente, generalmente el aire del sitio donde se encuentra el refrigerador, mientras que una maquina térmica tiene una salida neta de trabajo mecánico; en cambio el refrigerador tiene una entrada neta de trabajo. Maquina térmica

4 Refrigerador La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño COPR. El objetivo de un refrigerador es remover el calor QL del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo, entonces el COPR de un refrigerador se puede expresar como:

5 Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración. EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Se muestra de manera esquemática y en un diagrama T-s en la figura El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos: Compresión isentrópica en un compresor Rechazo de calor a presión constante en un condensador Estrangulamiento en un dispositivo de expansión Absorción de calor a presión constante en un evaporador En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendrá por encima de la temperatura de los alrededores. El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la

6 temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor húmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo. En un refrigerador doméstico los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como el evaporador. Los serpentines detrás del refrigerador, donde el calor se disipa en el aire de la cocina, sirven como el condensador (Fig. 11-4). Recuerde que el área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor en caso de procesos internamente reversibles. El área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador. Una regla empírica es que el COP mejora entre 2 y 4 por ciento por cada C que eleva la temperatura de evaporación o que disminuye la temperatura de condensación.

7 Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor pueden expresarse como y Donde para el caso ideal.

8 Es decir este refrigerador elimina cuatro unidades de energía térmica del espacio del refrigerador por cada unidad de energía que consume. CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR El refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la práctica, no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso, es fácil diseñar el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entra al compresor. También, la línea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto, la caída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas. El resultado del sobrecalentamiento, de la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión en el evaporador y la línea de conexión, consiste en un incremento en el volumen específico y, por consiguiente, en un incremento en los requerimientos de entrada de potencia al compresor puesto que el trabajo de flujo estacionario es proporcional al volumen específico. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1-2 puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son más

9 pequeños en este caso. De ese modo, el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresión siempre que sea práctico y económico hacerlo.

10 Conclusiones La refrigeración es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior, él trabaja a un ciclo inverso que la bomba de calor, su funcionamiento consiste en que se traslada el calor del depósito de temperatura baja y por medio del ingreso de trabajo permite extraer ese calor y llevarlo a un depósito a una temperatura alta. Los refrigeradores trabajan de manera inversa a una maquina térmica. El coeficiente de rendimiento es una expresión que permite calcular la eficiencia de los refrigeradores y siempre es mayor que uno. Los sistemas de refrigeración se hallan en la vida cotidiana del ser humano entre los cuales se encuentran las refrigeradoras y los aires acondicionados que le facilitan la vida. Los principales usos de los refrigeradores en los hogares, la medicina, la criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas, motores de combustión interna, máquinasherramientas, aparatos electrónicos. Bibliografía Basín, C. M., & Bedolla, A. C. (2002). Fisico Quimica. Mexico: PEARSON EDUCACIÓN. Cengel, A. Y., & Boles, A. M. (2009). Termodinamica. Mexico: The McGraw-Hill Educación..