INTRODUCCIÓN. Termodinámica fácil para ingenieros

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN Ahora entramos al mundo del frìo, es decir de la refrigeraciòn o las temperaturas bajas. Estos ciclos tienen la particularidad de bajar la temperatura hasta casi llegar al cero absoluto!!! (ya estamos en 0.01 º K!- ciencia de la criogenia). Todo esto gracias al fenómeno del estrangulamiento de las válvulas (coeficiente Joule-Thompson - ver Cap.10) y a las propiedades de los portadores de energía - en este caso los Refrigerantes - de seguir manteniendo sus propiedades de lìquido y gas, aun a temperaturas muy bajas sin llegar a solidificarse. Aprederemos a usar los diagramas P- h de los principales refrigerantes (Freòn 12, R-134a y el Amonìaco). Tambièn conoceremos un poco el funcionamiento de algunas de nuestras máquinas domésticas (refrigerador, congelador) e industriales (frigorífico, camales, etc); así como otros sistema ingeniosos de refrigeración, como por ejemplo la refrigeradora a kerosene, por ciclo invertido, bombas de calor, etc. Todos los problemas que se proponen al final del capítulo pueden ser resueltos tambièn cambiando el tipo de refrigerante y ser repetidos con estas otras condiciones, anímese a cambiarlos. Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 1

2 ESQUEMA DE UNA REFRIGERADORA Indice 15 CICLOS de REFRIGERACION CICLOS DE REFRIGERACIÓN CLASIFICACION : Existen en uso varios ciclos comunes de refrigeración 1,. Ciclo por compresión de vapor 1.- Ciclo de refrigeración por gas 3.- Ciclo de refrigeracoión por absorción 4.- Ciclo de refrigeración por vacío El más importante de todos es el ciclo por compresión de vapor 15.1 CICLO por Compresión de Vapor REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR 1-2: compresión (aproximadamente politrópica) 2-3: enfriamiento isobárico (serpentín detrás del refrigerador) 3-4: estrangulamiento adiabático (isoentálpico) 4-1: calentamiento isobárico (cámara, freezer) Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 2 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 3

3 Dónde se utilizan estos Ciclos de Refrigeración? Funcionamiento de una Refrigeradora Doméstica Refrigeradora Bosch Side by Side, conservador de 12 p3, congelador de 11 p3, sistema eurofrost, congelador con 6 compartimientos independientes, fast freezing, coservador con 3 anaqueles regulables, US 929 Sistema de Refrigeraciòn - Lab. de Energìa PUCP Refrigerador Coldex R162, 2 puertas 16 p3, US p3, US Refrigeradora General Electric PSS27SHM, puertas de acero inoxidable, controles digitales 27 p3, ecológico, dispensador de agua y hielo, US 2999 Refrigeradora Samsung SSR - S20 FTFM, Side by Side, 20 p3, mirror looking, dispensador de agua y hielo, bar indcorpoprado, digital US 2199 En el Software Cómo funcionan las cosas se encuentra la explicación simple de este sistema. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 4 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 5

4 Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 6 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 7

5 Ciclos Negativos 15.2 Ciclo Carnot Negativo En los ciclos negativos aprovechamos el suministro de trabajo Wt 12 (motores electricos en nuestras refrigeradoras) para extraer calor del recipiente de menor temperatura Tb. No olvidemos que cuando estudiamos estos ciclos nosotros estamos dentro de las maquinas, por eso es que nos calentamos con los alimentos que estan a temperatura ambiente. lo que pasa en que estamos a menor temperatura que ellos!...por ejemplo a - 10 ºC. Tambien tenemos que botar calor a algun recipiente de mayor temperatura Ta, que en la mayor parte de los casos es el medio ambiente. El ciclo negativo sigue la direccion contraria a las agujas del reloj. Como son dos calores, Qextraido y Qdescargado, podemos a provechar ambos en los sistemas de aire acondicionado, tanto para verano como para invierno. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 8 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 9

6 15.3 Diagramas T -s y P-h 15.4 Ciclo Refrigeración Real En los ciclos reales de refrigeración - eso lo experimentarán cuando lleven sus prácticas o en el laboratorio- nos daremos cuenta que en realidad los sistemas no son isobáricos; por lo que tendremos caídas de presión a través de los tubos de los condensadores como en los evaporadores. Asimismo, en el caso de los compresores, algunos de estos no tienen por qué ser adiabáticos, por lo que en algunos casos su entropía puede disminuir. Pero ese calor calentará el ambiente y entonces la entropìa del ambiente tiene que subir en mayor proporción para que SIEMPRE la entropía aumente (Segunda Ley ). En los siguientes diagramas podemos observar algunos modificaciones en los diagramas T-s. En los ciclos de refrigeración se utiliza bastante el diagrama P-h (presión - Entalpía), por ser más fácil de utilizar. Por ejemplo, en el caso del condensador y del evaporador que son isobáricos (presiones constantes) en el T-s son curvas, pero en el P-h serán solo rectas horizontales. En el caso de la válvula que es isoentalpica (entalpía constante h), en el T-s será una curva (dificil), mientras que en el P-h se es solo una recta vertical. Por lo tanto usaremos los diagramas P-h en todos los problemas de refrigeración. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 10 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 11

7 15.5 Refrigerantes Diagrama P - h FREON 12 REFRIGERANTE: Es la sustancia de trabajo utilizada en los sistemas de refrigeración. En un sistema de refrigeración, tanto por compresión de vapor como por absorción, el enfriamiento se obtiene por la evaporación de un líquido. Por consiguiente cualquier fluido al que se le puede cambiar de fase, de un líquido aun gas, puede servir como refrigerante. Sin embargo, son muchos los factores que hacen que algunas sustancias sean más adecuadas que otras, dependiendo de la aplicación. Existen muchas marcas de refrigerantes: Freón, Genetrón, Isotrón, Arctón, etc En las próximas páginas tendremos los diagramas P-h de los 3 principales refrigerantes que se usan actualmente, el FREON 12 ó R-12 que ya está en desuso por atentar contra la Capa de Ozono. Luego el refrigerante R-134a que se llama refrigerante ecológico (ya no malogra la Capa de Ozono) y finalmente el Amoníaco que se usa bastante en refrigeración industrial. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 12 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 13

8 Diagrama P - h del R - 134a Diagrama P - h del Amoníaco Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 14 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 15

9 15.6 Nomenclatura en Refrigeración 15.7 Compresores Q12 = m (H2 - h1) + Wt 12 OTRAS DEFINICIONES: Carga de Refrigeración: Es el calor absorbido por el refrigerante, de la sustancia o el ámbito que se quiere refrigerar. Se expresa en toneladas de refrigeración (TON), en kj/min o kw. Q ( 4 1) = m f (h1 h4 ) Efecto refrigerante útil: Es el efecto de refrigeración, expresado en unidades de calor por kg. de refrigerante (calor absorbido en el Evaporador, q = h 1 -h 4 ). Rendimiento Isoentrópico del Compresor: n sc = (h2 - h1) / (h2 - h1) Pero hay que tener cuidado, pues no todos los compresores se les puede considerar adiabáticos; son solamente politrópicos, por lo que pueden transmitir calor Q12. Tonelada de refrigeración (TON) Es una unidad de tipo tradicional y corresponde al efecto refrigerante útil que puede producir una tonelada de hielo mientras se funde en un periodo de 24 horas. 1TON = BTU/h = 200 BTU/min =3.52kW. Criogenia: (ciencia del frío) Consiste en la obtención de temperaturas menores de 100K. Uno de los métodos más frecuentes es la licuefacción de gases; método Linde, método Claude y desmagnetización adiabática de una sal paramagnética. Sistema de Refrigeración en el Laboratorio de Energía de La Pontificia UNiversidad Católica del Perú. Los compresores tipo Reciprocantes, o alternativos o de Pistón son los más utilizados en refrigeración. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 16 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 17

10 15.8 Condensadores 15.9 Válvulas y Controles Para que pueda cumplirse el ciclo siempre tiene que haber una fuente caliente y una fuente fría, en los casos de refrigeración el ambiente sería la fuente fría, pues quita calor al refrigerante que está caliente después de la compresión. Cómo se controla la refrigeradora? Se usan las válvulas que cumplen la función de crear el frío y también regular el flujo de refrigerante Las valvulas de expansion termostatica se usan para regular el flujo automaticamente. Cuando el evaporador esta caliente este abre la valvula y pasa mayor flujo de refrigetrrante, por lo tanto Q41 sera mayor y se extraera mayor calor. Este control se usa en la refrigeradoras industriales. Cuando el refrigerante es comprimido se vuelve Vapor Sobrecalentado VSC y luego tenemos que volverlo líquido en el condensador (se condensa!!); pero para que eso suceda se tiene que quitar calor Q 23 ó QH, y de eso se encargan los tubos (serpentín) que están detrás de las refrigeradopas o en los laterales. En el caso de las refrigeradoras domesticas lo que controlamos es el tiempo en el cual estara prendido o apagado nuestra refrigeradora, esto lo hacemos con el termostato que hace la funcion de un interruptor de corriente electrica cuando la temperatura en el evaporador este fria. Este control podemos modificarlo nosotros mismos moviendo el regulador que se encuentra dentro de la refrigeradora. Para medir el flujo de refrigerante se usan los flujometros que se instalan en la parte liquida...donde?... despues del condensador!! El condensador funcionará mejor en època de invierno cuando el ambiente esté mas frío. En algunas máquinas no encuentro válvula!!!...lo que pasa es que usan un tubo capilar (más barato) para producir el mismo efecto de estrangulamiento que la válvula... debe ser idea de algún Ingeniero Industrial. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 18 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 19

11 15.10 Evaporadores Sistemas domèsticos Esta es la parte principal de la refrigeradora, es el lugar donde guardamos los alimentos que queremos congelar o conservar; aquí los alimentos calientan el refrigerante (que está muy frío con temperaturas negativas). Tiene que ser muy adiabática para que sólo se extraiga calor de los alimentos y no también del ambiente. Cada alimento tiene su propio calor (Latente y Sensible) que el evaporador tiene que extraer. Las enciclopedias de refrigeración tienen los datos de TODOS los alimentos que queramos refrigerar; este sería nuestro dato, al igual que la masa o cantidad de alimentos a refrigerar. Ahora veremos algunos ejemplos principales de algunos artefactos electrodomésticos que usamos diariamente. Encontremos allí los principales elementos del ciclo de refrigeración: Compresor, Condensador, Válvla y Evaporador... Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 20 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 21

12 15.5 Ciclo de Refrigeraciòn Real...13 Sistema típico que encontramos en la tiendas Sistemas Industriales Sistema de Congeladores de dos cámaras. Refrigerador por absorción de una etapa utilizado para líquidos ( Ton) que usa vapor de agua como fuente de energía térmica y H2O - Li Br como refrigerante. (The Trane Company) Abajo se muestra una aplicación del sistema de refrigeración en los sistemas de aire acondicionado, que lo estudiaremos en el próximo capítulo. Refrigeradora de líquidos por Compresión de vapor ( Ton), compresor rotaatorio helicoidal de 2 etapas. (The Trane Company) Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 22 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 23

13 Sistema de refrigeración por absorción que utiliza la energía solar como fuente de energía. Sistema de refrigeración por vacío; al quitarle presión es posible disminuir la temperatura. En este caso utiliza un chorro de vapor de agua como enfriador. Ciclo de Refrigeración con ciclo de aire. Funciona con el ciclo Joule - Brayton invertido; estos sistemas se utilizan en el enfriamiento de los aviones. El aire es sacado del compresor del motor principal del avión. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 24 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 25

14 15.13 Bombas de Calor Criogenia Es la misma refrigeradora pero lo que se utiliza es el calor que se quita al sistema en lel condensador Q 23. COP = QH / Wt COP `- COP = 1 Criogenia: (ciencia del frío) Consiste en la obtención de temperaturas menores de 100K. Uno de los métodos más frecuentes es la licuefacción de gases; método Linde, método Claude y desmagnetización adiabática de una sal paramagnética. Usado para obtener Temperaturas más frías a) Compresor con 2 estrangulamientos Podemos usar la misma máquina para refrigerar y dar calor (Calefacción) con solo invertir una válvula. SE usa mucho en los países fríos, en el Perú no lo necesitamos tanto. a) Dos compresores y dos estrangulamientos Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 26 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 27

15 15.16 Refrigeraciòn por absorciòn REFRIGRERACION POR ABSORCIÓN (a kerosene) El calor que produce la combustión del kerosene KE (combustible más barato) tiene la función de aumentar la Presión y Temperatura del compresor. El refrigerante es una mezcla de hidrógeno, amoniaco y agua para compensar las presiones parciales. Estas maquinas se usan comúnmente en el campo (o donde no haya electricidad para hacer funcionar el motor eléctrico que acciona el compresor), se aprovecha el calor de combustión del Kerosene para elevar la presión del refrigerante. Reemplaza al compresor en el sistema típico de compresión de vapor. Es decir, le damos calor para extraer calor, quien entiende eso!! Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 28 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 29

16 Problemas 1.- La máquina refrigeradora mostrada se emplea para fabricar hielo. Las condiciones normales de trabajo son: P 1 = 2.2bar, T 1 = 0 C; P 2 = 9bar, T 2 = 60 C; T 3 = 35 C y el COP = 4.5. a) Determinar las entalpías específicas h i en todos los estados. b) Qué flujo de refrigerante será necesario para obtener una producción de hielo de 1Tn/día?. Calor latente de Fusión: 330kJ/kg c) Qué flujo de H 2 O de refrigeración se requiere en el condensador?. C p =4.186kJ/kg-K Cambio de Temperatura entre entrada y salida de H 2 O: T =15 C d) Hallar el Q transferido en el compresor. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 30 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 31

17 2. En el ciclo de refrigeración mostrado se ha obtenido los siguientes datos: P 1 = 1.7 bar, P 2 = 9 bar, P a = 5 bar, T 2 = 60 C, T 3 = 30 C. Considere que a la salida del evaporador se tiene vapor saturado. Se sabe además que el separador de vapor es adiabático e isobárico; y que el condensador y el evaporador son isobáricos; el compresor es adiabático. Desprecie los cambios de energía cinética y potencial. El refrigerante es Freón 12. Determinar: a) El diagrama P-h del ciclo. b) Determinar las entalpías de cada estado. c) Los flujos de masa m b y m c, si se sabe que m a = 0.3kg/s. d) El COP del ciclo. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 32 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 33

18 3. El sistema de refrigeración en cascada mostrado se utiliza para alcanzar bajas temperaturas. Cada compresor disipa al ambiente 0.6kW de calor. Los procesos en el intercambiador de calor adiabático, el evaporador y el condensador son isobáricos. En ambos circuitos se utiliza Freón 12. Si m 1 = 0.48kg/s, se pide determinar el COP de todo el sistema. P 1 = 2.5 bar T 1 = 0 C T a = - 20 C P 2 = 8 bar T 2 = 55 C T b = 30 C P a = 1 bar T 3 = 25 C T c = - 5 C P b = 3 bar Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 34 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 35

19 4. Una planta de refrigeración que trabaja con Freón 12, funciona de acuerdo al esquema mostrado. Si los compresores son adiabáticos con un rendimiento de 85% cada uno y las salidas del condensador y de los evaporadores son estados saturados, se pide determinar: a) La entalpía de cada estado. b) La potencia en cada compresor. c) El diagrama P-h. Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 36 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 37

20 5. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor de una etapa con dos evaporadores, trabaja con R-12, según el esquema técnico mostrado. Este arreglo es usado para conseguir refrigerar a dos temperaturas diferentes con un solo condensador. El evaporador de baja temperatura opera a -18 C con vapor saturado en la salida y tiene una capacidad de refrigeración de 3 TON. El evaporador de alta temperatura tiene una capacidad de 2 TON, con vapor saturado a 3.2 bar a la salida. La compresión es isentrópica, y del condensador sale líquido saturado a 10 bar. (1 TON = 3.52 kw) Determinar: a) Entalpía en todos los estados. b) Flujos de masa. c) Calor transferido en el condensador. d) Potencia del compresor. e) Diagrama P-h. En los compresores Ciclo de Refrigeración 15 - Pág. 38 Ciclo Refrigeración 15 - Pág. 39