Capítulo 10: ciclos de refrigeración. El ciclo de refrigeración por compresión es un método común de transferencia de calor de una

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1 Capítulo 0: ciclos de refrigeración El ciclo de refrigeración por compresión es un método común de transferencia de calor de una temperatura baja a una alta. ENTRA IMAGEN capítulo 0-.- CAOR ambiente 2.- CAOR casa 3.- salida deseada 4.- W da requerida neto, 5.- W da requerida neto, 6.- salida deseada 7.- FRÍO espacio refrigerado 8.- FRÍO ambiente 9.- Refrigerador 0.- Bomba de calor a figura anterior muestra los objetivos de los refrigeradores y las bombas de calor. El propósito de un refrigerador es la eliminación de calor, llamada la carga por enfriar, desde un medio a temperatura baja. El propósito de una bomba de calor es la transferencia de calor hacia un medio a temperatura alta, llamado la carga por calentar. Cuando hay interés en la energía calorífica que se suministra al espacio a alta temperatura, el dispositivo se llama bomba de calor. En general, el término bomba de calor se usa para describir el ciclo donde se elimina energía calorífica del espacio a temperatura baja y se envía al espacio a temperatura alta. El rendimiento de los refrigeradores y bombas de calor se expresa en términos de coeficiente de rendimiento (), que se define como:

2 R P Salida deseada Entrada requerida Salida deseada Entrada requerida Efecto de enfriamiento Q Entrada requerida W neto, Efecto de calentamiento Q Entrada de trabajo W neto, Tanto R como P pueden ser mayores que. En las mismas condiciones de operación, los s se relacionan por medio de P R + Puede demostrar que esto es cierto? os refrigeradores, acondicionadores de aire, y bombas de calor se evalúan con un número SEER o razón de eficiencia de energía ajustada. Se define al SEER como el calor transferido por watt de da de energía en forma de trabajo, sus unidades son Btu/hr. a Btu es la Unidad Térmica Británica, y es equivalente a 778 ft-lbf de trabajo (W Btu/hr). Un EER de 0 proporciona un de 2.9. os sistemas de refrigeración también se evalúan en términos de refrigeración. Una tonelada de refrigeración es equivalente a Btu/hr o 2 /min. Cómo se originó el término toneladas de enfriamiento? El refrigerador inverso de Carnot y la bomba de calor Enseguida se muestra el dispositivo cíclico de refrigeración operando entre dos almacenamientos de temperatura constante, y el diagrama T-s para el fluido de trabajo cuando se usa el ciclo inverso de Carnot. ay que recordar que en el ciclo de Carnot, la transferencia de calor tiene lugar a temperatura constante. Si el interés radica en la carga por enfriar, el ciclo se llama refrigerador de Carnot. Si interesara la carga por calentar, el ciclo se llamaría bomba de calor de Carnot. ENTRA IMAGEN capítulo 0-3

3 .- CAOR medio 3.- Turbina 4.- Compresor 5.- Evaporador 6.- FRÍO medio El estándar de comparación para los ciclos de refrigeración es el ciclo inverso de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera con base en el ciclo inverso de Carnot se llama refrigerador de Carnot o bien bomba de calor de Carnot, y sus s son: R, Carnot P, Carnot T T T T T T T T T T Obsérvese que para el proceso de expansión se usa una turbina entre las temperaturas alta y baja. En tanto las interacciones de trabajo para el ciclo no se indican en la figura, el trabajo que produce la turbina ayuda a suministrar desde fuentes externas algo del trabajo que requiere el compresor. Por qué no ha de usarse el ciclo de refrigeración inverso de Carnot? Es más fácil comprimir sólo vapor y no una mezcla de líquido-vapor. Es más barato tener expansión irreversible a través de una válvula de expansión. Qué problemas surgen por usar la turbina? El ciclo de refrigeración por compresión de vapor

4 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor tiene cuatro componentes: evaporador, compresor, condensador, y válvula de expansión (o estrangulador). El ciclo de refrigeración que se usa con más frecuencia es el de refrigeración por compresión de vapor. En un ciclo de refrigeración ideal por compresión de vapor, el refrigerante al compresor en forma de vapor saturado y es enfriado al estado de líquido saturado en el condensador. Entonces, es estrangulado a la presión del vapor y se vaporiza conforme absorbe calor del espacio refrigerado. El ciclo ideal de compresión de vapor consiste en cuatro procesos. Ciclo Ideal de refrigeración por compresión de vapor Proceso Descripción -2 Compresión isentrópica 2-3 Eliminación de calor a presión constante en el condensador 3-4 Estrangulación en una válvula de expansión 4- Adición de calor a presión constante en el evaporador.- CAOR ambiente 3.- Válvula de expansión 4.- Compresor 5.- Evaporador 6.- FRÍO espacio refrigerado 7.- íquido saturado 8.- Vapor saturado 9.- W ENTRA IMAGEN capítulo 0-4

5 El P-h es otro diagrama conveniente que se usa con frecuencia para ilustrar el ciclo de refrigeración..- W ENTRA IMAGEN capítulo 0-5 Un buen ejemplo de la aplicación de este ciclo es el refrigerador doméstico común..- Compartimiento del congelador 2.- Bobinas evaporadoras 3.- Tubo capilar 4.- Aire de la cocina, 25ºC 5.- Bobinas condensadoras 6.- Compresor ENTRA IMAGEN capítulo 0-5 Resultados del análisis de las primera y segunda leyes para Flujo Estable Componente Proceso Resultado de la primera ley Compresor s constante & ( ) W Condensador P constante & ( ) Q m& h 2 h 3 Válvula estranguladora s > 0 h 4 h3 m& h 2 h W& neto Q & neto 0 0 Evaporador P const. & ( ) Q m& h h 4

6 R P Q& W& neto, Q& W& neto, h h4 h h 2 h h 2 2 h 3 h Ejemplo 0- En un ciclo ideal de refrigeración por compresión, el fluido de trabajo es el refrigerante 34a. El refrigerante sale del evaporador a 20ºC y tiene una presión en el condensador de 0.9 MPa. a tasa de flujo másico es de 3 /min. Encuentre el R y R, Carnot para las mismas T max y T min, y las toneladas de refrigeración. Con el uso de las tablas para el refrigerante 34a, se tiene que: Estado h Entrada del compresor ο T 20 C s x K Estado 2 Salida del compresor h P2 s P2 900 KPa T s 2s s K 2s 2s 275. ο C Estado 3 h Salida del compresor P3 900kPa s x K Estado 4 x Salida del estrangulador ο T T C s 4 20 h4 h K R ( ) ( ) 34. Q& W& neto, m& h m& h ( h4 ) ( h ) 2 h h4 h h 2 as toneladas de refrigeración, con frecuencia llamadas cargas por refrigerar o efecto de refrigeración, son:

7 Q& m& h 3 min.93 Ton ( h ) 4 ( ) Ton 2 min ( ) ( ) 3.9 R, Carnot T K K T T Otra medida de la efectividad del ciclo de refrigeración es cuánta potencia de da, en caballos de fuerza, se requiere para el compresor por cada tonelada de enfriamiento. a unidad de conversión es 4.75 hp por tonelada de enfriamiento. W& neto, Q& 4.75 hp 3.4 Ton hp hp. Ton 4.75 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.- CAOR ambiente 3.- Válvula de expansión 4.- Compresor 5.- Evaporador 6.- FRÍO espacio refrigerado Sistemas de bomba de calor ENTRA IMAGEN capítulo 0-8 R

8 ENTRA IMAGEN capítulo OPERACIÓN DE A BOMBA DE CAOR-MODO DE CAENTAMIENTO 2.- Bobina al exterior 3.- Válvula de inversión 4.- Bobina al interior 5.- Ventilador 6.- Compresor 7.- Válvula de expansión 8.- íquido a alta presión 9.- íquido-vapor a baja presión 0.- Vapor a baja presión.- Vapor a alta presión OPERACIÓN DE A BOMBA DE CAOR-MODO DE ENFRIAMIENTO ENTRA IMAGEN capítulo Bobina al exterior 2.- Válvula de inversión 3.- Bobina al interior 4.- Ventilador 5.- Compresor 6.- Válvula de expansión Otros ciclos de refrigeración Sistemas de refrigeración en cascada

9 Con la operación en serie, llamada en cascada, de dos o más sistemas de compresión de vapor, pueden alcanzarse temperaturas muy bajas. Como resultado de la operación en cascada, también se incrementa el de un sistema de refrigeración. ENTRA IMAGEN capítulo CAIENTE ambiente 3.- Válvula de expansión 4.- Compresor 5.- Intercambiador de calor 6.- Evaporador 7.- Calor 8.- Condensador 9.- Válvula de expansión 0.- Compresor.- Evaporador 2.- FRÍO espacio refrigerado 3.- Disminución del trabajo del compresor 4.- Incremento en la capacidad de refrigeración Sistemas de refrigeración por compresión de etapas múltiples ENTRA IMAGEN capítulo CAIENTE ambiente 3.- Válvula de expansión 4.- Compresor de alta presión

10 5.- Cámara flash 6.- Válvula de expansión 7.- Compresor de baja presión 8.- Evaporador 9.- FRIO espacio refrigerado Sistemas de refrigeración de propósito múltiple Un refrigerador con un sólo compresor puede proveer refrigeración a temperaturas diferentes por medio de estrangular el refrigerante por etapas. ENTRA IMAGEN capítulo 0-.- Aire de la cocina 3.- Válvula de expansión 4.- Refrigerador 5.- Compresor 6.- Congelador 7.- (trayectoria alternativa) icuefacción de gases Otra forma de mejorar el rendimiento de un sistema de refrigeración por compresión de vapor es por medio del uso de enfriamiento regenerador por compresión de etapas múltiples. Con algunas modificaciones, el ciclo de refrigeración por compresión de vapor también puede usarse para licuar gases. ENTRA IMAGEN capítulo Intercambiador de calor 2.- Compresor de etapas múltiples

11 3.- Proceso del gas 4.- Regenerador 5.- Vapor recirculado 6.- íquido removido Sistemas de refrigeración por gas os ciclos de potencia pueden usarse como ciclos de refrigeración si sencillamente se invierten. De éstos, el ciclo inverso de Brayton, que también se conoce como ciclo de refrigeración por gas, se utiliza para enfriar aeronaves y para obtener temperaturas muy bajas (criogénicas) después de que se modifica con regeneración. a salida de trabajo de la turbina puede usarse para reducir los requerimientos de das de trabajo al compresor. Así, el de un ciclo de refrigeración por gas es: R w q q neto, wcomp, w turb, sale ENTRA IMAGEN capítulo FRÍO espacio refrigerado 2.- Intercambiador de calor 3.- Regenerador 4.- CAIENTE ambiente 5.- Turbina 6.- Compresor W neto, Sistemas de refrigeración por absorción

12 Otra forma de refrigeración que tiene atractivo económico es aquella en que existe una fuente barata de energía calorífica, a temperatura de 00 a 200ºC, y se llama refrigeración por absorción, donde el refrigerante se absorbe por medio de un medio de transporte y se comprime en forma de líquido. El sistema más empleado de refrigeración por absorción es el de aguaamoniaco, donde el amoniaco funge como el refrigerante y el agua como medio de transporte. El trabajo de da a la bomba por lo general es muy pequeño, y el de los sistemas de refrigeración por absorción se define como: R Salida deseada Entrada requerida Efecto de enfriamiento Entrada de trabajo Q gen Q + W bomba, Q Q gen ENTRA IMAGEN capítulo CAIENTE ambiente 3.- N 3 puro 4.- Rectificador 5.- Generador 6.- Energía solar 7.- Regenerador 8.- Válvula de expansión 9.- Absorbedor 0.- Evaporador.- FRÍO espacio refrigerado 2.- Agua de enfriamiento 3.- Bomba 4.- W bomba

13 Sistemas de refrigeración termoeléctricos También puede lograrse el efecto de refrigeración sin usar ninguna parte móvil simplemente haciendo pasar una pequeña corriente eléctrica a través de un circuito cerrado hecho de dos materiales disímiles. Este efecto se llama efecto Peltier, y el refrigerador que trabaja con base en éste recibe por nombre refrigerador termoeléctrico. ENTRA IMAGEN capítulo CAIENTE ambiente 2.- Placa caliente 3.- Placa fría 4.- Espacio refrigerado