Termodinámica: Ciclos de refrigeración Parte 1

Transcripción

1 Termodinámica: Ciclos de refrigeración Parte 1 Olivier Skurtys Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad Técnica Federico Santa María olivier.skurtys@usm.cl Santiago, 16 de julio de 2012

2 Presentación 1 Generalidades sobre el frío 2 Maquinas a compresión mecánica simple 3 Maquinas a compresión a múltiples etapas

3 Generalidades sobre el frío 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

4 Introducción 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

5 Introducción Se distinga en el dominio del frío 2 dominios distintos: La refrigeración que consiste a producir y mantener una temperatura inferior a la temperatura ambiente. La criofisica que es la ciencia de las propiedades de la materia a muy baja temperatura (algunos Kelvin) La distinción entre refrigeración y criofisica difiere según el uso. En la industria la refrigeración tiene generalmente por limite la licuefacción del aire ( 140 C) el aire es una mezcla (80 % nitrógeno, 20 % oxigeno), no tiene una temperatura critica por definición. Sin embargo, es posible de licuar el aire a una temperatura inferior a ( 140 C).

6 Aplicaciones industriales del frío 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

7 Aplicaciones industriales del frío Dominio medícale: conservación de algunos productos, órganos,... Industria de los alimentos: conservación de los alimentos,... Industrias químicas y petroquímicas: licuefacción de los gases por el transporte, técnicas para sacar la parafina, producción de nieve carbónico,... Condicionamiento de los locales: aire acondicionado, pista de patinaje, cañón a nieve,... Laboratorios de ensayo y de investigación: estudio de los materiales y comportamiento de la materia a muy baja temperatura

8 Producción de frío 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

9 Producción de frío Todo proceso endotérmico puede constituir un método capaz de producir el frió: fusión de un solido, sublimación de un solido, vaporización de un liquido, expansión de un gas, efecto Peltier (termoeléctrico),...

10 Producción de frío Comentarios Las maquinas las mas corrientes funcionan vaporizando el liquido frigorífico en la cámara fría. Es precisamente durante esta operación que el calor es absorbido. Si deseamos una producción continua de frío, es necesario realizar un ciclo, es decir combinar un fenómeno exotérmico a un fenómeno endotérmico Las maquinas frigoríficas son a lo menos bitérmicas

11 Ciclo frigorífico de Carnot 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

12 Ciclo frigorífico de Carnot El ciclo de Carnot es compuesto: de 2 isotermas y de 2 adiabáticas

13 Ciclo frigorífico de Carnot Primer principio W + Q 0 + Q k = 0 (1) Segundo principio Q 0 = T 0 (S c S D ) Q k = T k (S A S B ) (2) Tenemos: S A = S D S B = S C (3) W = Q 0 + Q k = T 0 (S c S D ) + T k (S A S B ) = T 0 (S B S A ) + T k (S A S B ) = (S B S A )(T 0 T k ) < 0 (4) Entonces, el sistema: recebe un trabajo W, toma el calor Q 0 a la fuente fría, y da una cantidad de calor Q k a la fuente caliente.

14 Ciclo frigorífico de Carnot Esquema de un refrigerador de Carnot

15 Coeficiente de desempeño 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

16 Coeficiente de desempeño El rendimiento térmico de las maquinas inversas se llama: coeficiente de desempeño o de eficiencia (COP, coefficient of performance) Caso de una maquina frigorífica COP refrig = obtenido gasto = Q f Q f = (5) W neto Q c Q f Caso de una bomba de calor Además tenemos: COP bdc = obtenido gasto = Q c Q c = (6) W neto Q c Q f COP bdc = COP refrig + 1 (7) eso implica que COP bdc > 1 como COP refrig > 0

17 Diagramas frigoríficos 1 Generalidades sobre el frío Introducción Aplicaciones industriales del frío Producción de frío Ciclo frigorífico de Carnot Coeficiente de desempeño Diagramas frigoríficos

18 Diagramas frigoríficos Los diagramas principalmente usados por en refrigeración son: El diagrama temperatura - entropía: T -S. y el diagrama presión entalpía: ln P - h. Vamos usar el diagrama T -S.

19 Diagramas frigoríficos Propiedades de T -S Las isotermas son horizontales Las adiabáticas reversibles son verticales Las adiabáticas irreversibles son las curvas inclinadas hacías los valores crecientes de S

20 Diagramas frigoríficos Propiedades de T -S El área bajo la curva representa: El calor intercambiado en el caso de un ciclo reversible, el área del ciclo representa la cantidad de calor total absorbido por el sistema El primer principio, permite de concluir que este área representa igualmente el trabajo producido.

21 Diagramas frigoríficos Titulo de vapor En el caso de una mezcla liquido-vapor (T < T c ), el titulo de vapor es: la mase de vapor contenido en la unidad de masa de mezcla

22 Diagramas frigoríficos Titulo de vapor El titulo de vapor se escribe S M = (1 x)s A + xs B x = S M S A S B S A (8) x = S M S liq S vap S liq (9)

23 Diagramas frigoríficos Titulo de vapor Se puede demostrar de la misma manera: h M = (1 x)h A + xh B x = h M h A h B h A (10) x = h M h liq h vap h liq (11)

24 Diagramas frigoríficos Expansión isentrópica Una expansión isentrópica producirá según las condiciones iniciales del titulo: si x > 1 2 (C D) la expansión provoca una condensación. si x < 1 2 (A B) la expansion provoca una evaporación.

25 Maquinas a compresión mecánica simple 2 Maquinas a compresión mecánica simple Ciclo frigorífico teórico

26 Ciclo frigorífico teórico 2 Maquinas a compresión mecánica simple Ciclo frigorífico teórico

27 Ciclo frigorífico teórico Las maquinas frigoríficas a compresión mecánica simple son las mas corrientes. El ciclo frigorífico es compuesto de los procesos siguientes: una compresión politrópica (adiabática por el ciclo teórico) una condensación isobárica una expansión adiabática una vaporización isobárica

28 Ciclo frigorífico teórico Principio El fluido frigorífico se vaporiza a la temperatura T 0 y a la presión P 0 tomando un cantidad de calor Q 0 El vapor es comprimido a la presión P k En un segundo intercambiador de calor: el vapor es condensado a la presión P k y a la temperatura T k constantes botando el calor Q k. El liquido tiene expansión de la presión P K a la presión P 0.

29 Ciclo frigorífico teórico Ciclo teórico en el diagrama T -S y ln P - h Se usa también la formula: (q entrada q salida ) + (w entrada w salida ) = h extremidad h inicial (12) COP refrig = Q f W neto = h A h D h B h A (13)

30 Ciclo frigorífico teórico Ciclo teórico en el diagrama T -S y ln P - h Se usa también la formula: (q entrada q salida ) + (w entrada w salida ) = h extremidad h inicial (14) COP bdc = Q c W neto = h B h C h B h A (15)

31 Maquinas a compresión mecánica simple 3 Maquinas a compresión a múltiples etapas Introducción Principio de la compresión a 2 etapas Ciclo en los diagramas

32 Introducción 3 Maquinas a compresión a múltiples etapas Introducción Principio de la compresión a 2 etapas Ciclo en los diagramas

33 Introducción Cuando la temperatura del medio a enfriar es muy baja: la presión de evaporación es muy pequeña La razón de compresión toma entonces valores elevadas eso conduce a: un rendimiento energético pequeño, una temperatura en fin de compresión muy elevada. Se puede contornar estos inconvenientes cortando la compresión en varias fases, comportando un enfriamiento entre las fases. En general, la compresión en 2 etapas es necesario cuando la tasa de compresión es superior a 25.

34 Principio de la compresión a 2 etapas 3 Maquinas a compresión a múltiples etapas Introducción Principio de la compresión a 2 etapas Ciclo en los diagramas

35 Principio de la compresión a 2 etapas El vapor sobre calentado es comprimido en el compresor de baja presión El vapor es enfriado a presión constante El vapor sobre calentado es comprimido en el compresor de alta presión El ciclo continua normalmente,...

36 Ciclo en los diagramas 3 Maquinas a compresión a múltiples etapas Introducción Principio de la compresión a 2 etapas Ciclo en los diagramas

37 Ciclo en los diagramas A 2 B 1 compresión baja B 1 B 2 enfriamiento isobárica B 2 C 1 compresión alta C 1 C 2 enfriamiento isobárico C 2 C 3 condensación isobárica C 3 C 4 sub-enfriamiento isobárica C 4 A 1 expansión isentalpica A 1 A 2 evaporación isobárica