TEMA 11. REFRIGERACIÓN

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1 Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA. REFRIGERACIÓN TEMA : REFRIGERACIÓN BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales PROCESOS INDUSTRIALES ANÁLISIS PROCESOS CALOR TRABAJO Y POTENCIA REFRIGERACIÓN PSICROMETRÍA OBJETIVOS CICLOS DE. Comprender GENERALIDADES la importancia y POTENCIA las aplicaciones CICLOS de POTENCIA la refrigeración DE en la industria DE VAPOR GAS Y OTROS CICLOS. Entender el funcionamiento de los ciclos básicos de producción de frío: ciclos de compresión de vapor (ciclo de Carnot invertido), los ciclos de refrigeración de gas (ciclo de Brayton invertido), los ciclos de absorción y los sistemas de refrigeración 3. Representar los ciclos descritos por el refrigerante en los diagramas termodinámicos T-S y P-H y calcular propiedades de los mismos con esta herramienta 4. Calcular los coeficientes de operación y la capacidad de refrigeración 5. Conocer los refrigerantes más empleados, los criterios de selección de los mismos y sus propiedades más importantes

2 TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: N: REFRIGERACIÓN N EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN

3 Introducción: Refrigeración en la industria Operación destinada a mantener la T de un sistema más baja que T ambiente << Refrigeración a baja T >>, para distinguir de agua de refrigeración APLICACIONES: Op. Separación: rectificación a baja T, vacío Cristalización (concent. de zumos, recic. neumáticos) y fusión selectiva Liofilización Licuación de gases (aire, gas natural, etileno) para transporte o producción Conservación de perecederos Acondicionamiento de aire PRODUCCIÓN DE FRÍO: Compresión enfriamiento expansión: ciclos de compresión Absorción en un líquido compresión desorción: ciclos de absorción Alto coste debido a la utilización de trabajo/electricidad como energía primaria Introducción REFRIGERADORES/BOMBAS DE CALOR Dispositivos cíclicos que transfieren el calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura empleando como fluido de trabajo un refrigerante El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una T baja y extraer el calor de él El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a T alta 3

4 TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN N DE VAPOR Ideales Prácticos cticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN Ciclos de compresión de vapor: ideales CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES) Método predominante Principio: máquina de Carnot invertida q& T C T q& C T q& C w& T q& F T q& F Condensador q& C w& 3 q& F 4 S Turbina Compresor P q& C 3 q& F Evaporador 4 Compresión y expansión isoentrópicas 3 q& F 4 H Condensación y evaporación isotérmicas Compresión y expansión en dos fases 4

5 Ciclos de compresión de vapor: ideales CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES) BOMBA DE CALOR COP BC, Carnot q = w C neto, e TC = = T F TC TF T C REFRIGERADOR COP REF, Carnot q = w F neto, e TF = = T / T T T C F C F Ciclos de compresión de vapor: prácticos CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS) ASPECTOS IMPRÁCTICOS ASOCIADOS AL CICLO DE CARNOT INVERTIDO Ciclo invertido de Carnot no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración Los procesos de TQ a T = cte no son díficiles de alcanzar en la práctica Compresión mejor en una sola fase (admisión: vapor saturado) Expansión: puede hacerse en dos fases a través de una válvula (...), pero... No se recupera el trabajo (expansión isoentálpica, o de Joule-Thomson) El fluido se enfría menos para la misma ΔP 5

6 Ciclos de compresión de vapor: prácticos CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS) CICLO IDEAL DE COMPRESIÓN DE VAPOR La turbina se sutituye por un dispositivo de estrangulamiento (válvula, tubo capilar) EXPANSIÓN ISOENTÁLPICA (irreversible) Evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima ( fase) El enfriamiento-condensación es isobárico, no isotérmico. Evaporación a T y P ctes PT, PT, -: Rechazo de calor a P = cte en el condensador hasta líquido saturado (T >T amb ) -3: Expansión isoentálpica hasta obtener una mezcla L+V baja calidad a la P evap (la T 3 < T espacio refrigerado ) 3-4: Absorción a P = cte en un evaporador hasta obtener vapor saturado 4-: Compresión isoentrópica hasta vapor sobrecalentado a la P cond = P P T S H Ciclos de compresión de vapor: prácticos CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS) 6

7 Ciclos de compresión de vapor: prácticos CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS) Equipo sencillo, barato y duradero Cálculos y propiedades: diagrama P-H w comp =h -h 4 ; q c =h -h ; q F =h 4 -h 3 (/kg o molg) Eficacias Coeficientes de aprovechamiento: alejamiento del ciclo ideal COP q& q& h h T ( Carnot) F F 4 3 F... REF = = =, = w& q& C q& F h h 4 TC TF C O P q& q& h h T ( Carnot ) C C C... BC.. = = =, = > w& q& C q& F h h 4 TC TF P 3 T q c : Área bajo la curva proceso - q F : Area bajo la curva en el proceso W neto : Área encerrada por el ciclo S W neto (COP ) cuando T evap o T cond 4 H Ciclos de compresión de vapor: reales CICLOS REALES DE COMPRESIÓN FUENTES DE IRREVERSIBILIDADES Caídas de presión (fricción del fluido) TQ desde o hacia los alrededores - Vapor entra al compresor ligeramente sobrecalentado - Proceso de compresión: los efectos friccionantes aumentan la entropía (proceso - ) y la transferencia de calor puede aumentar o disminuir la entropía (- ): deseable proceso - menor requerimiento de trabajo 3- El refrigerante se subenfría ligeramente antes de entrar al evaporador 7

8 TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN Refrigerantes REFRIGERANTE: El cuerpo que se emplea para absorber calor y retirarlo del sistema, ya sea en forma de calor latente (habitual) o calor sensible REFRIGERANTES MÁS COMUNES (con T SAT a atm): NH 3 (-33ºC) Freones (CFC): R (CCl F,-9), R (CHClF,-4), R4 (C Cl F 4,+4), R34a (CF 3 CH F,-30) Los freones completamente halogenados destruyen la capa del ozono (efecto invernadero, calentamiento global); los no halogenados completamente, menor capacidad de destrucción (R-34a, libre de cloro) Hidrocarburos: propano (-4ºC), etano, etileno CO (T sub = -78ºC) Aire H O (hielo, hielo con salmueras) Salmueras (problemas de corrosión sustituidos por anticongelantes: etilen-propilen-glicol, metanol, glicerina 8

9 Selección de refrigerantes SEGURIDAD: Inertes, no explosivos, no tóxicos (NH 3 prohibido en núcleos poblados) No contaminantes: CFC Capa de ozono. nuevos refrigerantes no (Cl y F) CRITERIOS TÉCNICOS: Entalpía de vaporización elevada Densidad del vapor reducida Capacidades caloríficas de líquido y vapor altas Relación de compresión favorable SELECCIÓN DE REFRIGERANTES: T EVAP (mínima) P SAT (mínima) > atm para evitar infiltraciones de aire Transferencia de calor razonable evaporador ΔT mínima = 0ºC T COND =T AMBIENTE +ΔT COND ; debe ser << que T crítica Propiedades de refrigerantes 9

10 Propiedades de refrigerantes APLICACIONES TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN 0

11 . Procedimientos en sistemas de refrigeración: cascadas CASCADAS Aplicaciones industriales que requieren T moderadamente bajas (gran nivel de presión en el ciclo) ciclo en una etapa no práctico Dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie Dos etapas: intercambiador de calor conecta los dos ciclos: evaporador del ciclo superior y condensador del ciclo inferior Mejoran el rendimiento (pero mas inmovilizado): w compresor disminuye y la capacidad de refrigeración aumenta Un solo refrigerante o distintos Permiten grandes variaciones de T (con distintos refrigerantes) PROBLEMA: cascadas CASCADA: ETAPAS.6 MPa P i = ( Palta Pbaja ) 0. MPa La presión intermedia (presión del cambiador de calor) viene dado por la siguiente expresión: P = i ( Palta Pbaja ) En el problema que nos ocupa se sabe que la presión de alta (condensador) es.6 MPa y la presión de baja (evaporador) es 00 kpa. El flujo másico de Freón que sale del evaporador es 0.6 kg/s. En estas condiciones se pide: a) Representar gráficamente en un diagrama P-H el doble ciclo descrito por el refrigerante R- b) Determinar el estado en el que se encuentra el refrigerante en cada una de las etapas del ciclo especificando el valor de su de presión, temperatura, entalpía, entropía y título c) Calcular la capacidad de refrigeración (kw) d) Determinar el coeficiente de operación e) Calcular el flujo másico de vapor de agua utilizado para enfriar el Freón en el condensador si se sabe que ΔTw = 5ºC f) Calcular la capacidad de refrigeración y el coeficiente de operación si el ciclo de refrigeración se llevase a cabo en una sola etapa g) Justificar cualitativamente si compensa trabajar con dos etapas de refrigeración para el caso planteado

12 PROBLEMA: cascadas CASCADA: ETAPAS.6 MPa.6 MPa MPa 0.4 MPa MPa 0. MPa 4 (a) Representación diagrama P-H ciclo descrito por el refrigerante PROBLEMA: cascadas TABLA DE CORRIENTES (b) Estado del refrigerante en cada una de las etapas ESTADO V.Sat. V. sobr. L. sat. L-V V.Sat. V. sobr. L. sat. L-V P (MPa) T (ºC) H (kj/kg) S (kj/kg K) Título (%)

13 PROBLEMA: cascadas (c) Calcular la capacidad de refrigeración (kw) Q& = m& ( H H ) kw REF baja = 3 (d) Determinar el coeficiente de operación Q& REF COP = w& COMP = m& baja ( H H) + m& alta ( H 6 H 5 ) w& COMP Balance de energía al cambiador de calor m alta ( H H 3) m& alta = m& baja = kg / s ( H H ) 5 8 Con la ecuación (3) obtenemos el trabajo de compresión y con la ecuación () el COP w& COMP = 38.9kW COP =.0 PROBLEMA: cascadas (e) Calcular el flujo másico de agua de refrigeración utilizado para enfriar el Freón en el condensador si se sabe que ΔT w = 5ºC Balance de energía al condensador m w m& w Cp w = m& kj = 4.84 kgº C H 6 H ) =.87 kg / s Cp ΔT ( 7 alta w w 3

14 PROBLEMA: cascadas (f) Capacidad de refrigeración y coeficiente de operación si hubiese una sola etapa 3 4 ESTADO P (MPa) T (ºC) H (kj/kg) Vapor saturado Vapor sobrecalentado Líquido saturado Mezcla L-V CICLO REFRIGERACIÓN ETAPA S (kj/kg K) Título (%) Q& REF = m& baja ( H H ) 4 = kw w& COMP = m& baja ( H H ) = kw Q& REF COP = =.5 w& COMP. Regeneración (economizadores) Sistemas multietapa: el intercambiador de calor entre las etapas (cascada) se sustituye por una CÁMARA DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA (cámara de mezcla mejores características de TQ) Sistema de cascada con refrigerante único y transmisión de calor directa (mezcla) Reducen el flujo en la zona de alta presión Compresión se asemeja a una compresión en dos etapas con interenfriamiento (disminuye w) Proporcionan varios niveles de T 4

15 3. Licuefacción de gases Área importante de la refrigeración PROCESOS CRIOGÉNICOS (T < -00ºC) dependen de gases licuados: Separación de O y N del aire Estudio de propiedades a bajas T GASES LICUADOS COMUNES: He, N e H (T c,he = -68ºC; T c,h = -40ºC y T c,n =-47ºC (no existirán en forma líquida en condiciones atmosféricas) Cómo reducir la T de estos gases por debajo de la T c? Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON 3. Licuefacción de gases Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON -3: Compresión multietapa con refrigeración intermedia 3-4: Primer enfriamiento 4-5: Segundo enfriamiento en el regenerador 5-6: Expansión en la válvula hasta mezcla L-V 7: Producto líquido deseado 8-9: Vapor se calienta en el regenerador El gas 9 +gas de reposición = gas (inicia el ciclo) 5

16 3. Licuefacción de gases TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección Propiedades PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN 6

17 Sistemas de refrigeración Aplicaciones que requieren refrigeración a más de una T Disposiciones muy complejas, buscando la eficacia Unos pocos elementos básicos Sistemas de refrigeración: EJEMPLO UNIDAD REFIGERADOR-CONGELADOR CON UN COMPRESOR Enviar todas las corrientes de salida de los evaporadores a un solo compresor El compresor realiza el trabajo de compresión Válvula de expansión a P más alta (T más alta) ESPACIO REFRIGERADO Válvula de expansión hasta P mínima CONGELADOR 7

18 TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN N DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN Ciclos de refrigeración de gas Ciclo de BRAYTON INVERTIDO -: Compresión isoentrópica -3: Enfriamiento a P = cte 3-4: Expansión isoentrópica 4-: Calentamiento a P = cte CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS 8

19 Ciclos de refrigeración de gas COP COP Brayton, inv Brayton, inv q = w L neto, e < COP = w Compresión comp, e ql w < COP turb, sal Carnot Incluyen componentes simples más ligeros (aviones) Pueden incorporar regeneración (licuefacción de gases) CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CON REGENERACIÓN TEMA : REFRIGERACIÓN INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR Ideales Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento Reales REFRIGERANTES Selección PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Cascadas Regeneración (economizadores) Licuefacción de gases SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CICLOS DE ABSORCIÓN 9

20 Sistemas de refrigeración por absorción Forma de refrigeración económica cuando existe una fuente de energía térmica barata (00 a 00ºC) aprovechamos calor de baja T para producir frío Energía geotérmica Energía solar Calor desecho de cogeneración o planta de vapor de proceso Implica absorción de un refrigerante por un medio de transporte NH 3 (ref)-agua Agua (ref)-bromuro de Li; Agua (ref)-cloruro de Li Similar al ciclo de compresión de vapor COMPRESOR: Absorbedor + Bomba + Regenerador + Generador vapor + Rectificador y una válvula VENTAJAS Se comprime un líquido en vez de un vapor (w flujo suele ser despreciable) Trigeneración: calor; frío; energía eléctrica INCONVENIENTES Costosos, complejos, ocupan espacio Menos eficientes Requieren torres de enfriamiento más grandes para liberar q residual Sistemas de refrigeración por absorción CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO Alta P Ds. Diluida NH 3 Ds. Concentrada NH 3 Baja P Absorción + Reacción Reacción exotérmica Retirar q para disolver la mayor cantidad NH 3 posible 0

21 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Comprender la importancia y las aplicaciones de la refrigeración en la Industria Química. Entender el funcionamiento básico de los ciclos de compresión de vapor ideales basados en el ciclo de Carnot invertido: aspectos imprácticos, ciclos prácticos de compresión, ciclos reales, representación T-S y P-H y calculo COP 3. Conocer los refrigerantes más empleados, los criterios de selección y las propiedades más importantes 4. Comprender el funcionamiento de los procedimientos más empleados en sistemas de refrigeración: cascadas de refrigeración, utilización de economizadores (regeneración) y licuefacción de gases 5. Entender el funcionamiento básico de los ciclos de compresión de gas (ciclo de Brayton invertido):representación T-S y P-H y cálculo del COP 6. Conocer los fundamentos de los sistemas de refrigeración por absorción y las principales ventajas e inconvenientes frente a los ciclos de compresión de vapor convencionales Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA. REFRIGERACIÓN