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REFRIGERACION

REFRIGERACION[Escriba el subttulo del documento]

INTEGRANTES: Figueroa Mendoza Augusto Paul Giordan. Flores Macedo Ronald. Alvarez Benaute Ilmer. Quispe Castillo Victor. Neyra Rodriguez Jaime Luis.

FIME-UNAC28/11/2014

I. INTRODUCCIONLa refrigeracin es una de las principales reas de aplicacin de la termodinmica, es la transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una de temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeracin se llaman refrigeradores y los ciclos en los que operan se llaman ciclos de refrigeracin. El ciclo de refrigeracin ms empleado es el ciclo por compresin de vapor, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor.La refrigeracin por compresin consiste en forzar mecnicamente la circulacin de un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presin con el propsito de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro.

La refrigeracin por compresin se logra evaporando un gas refrigerante en estado lquido a travs de un dispositivo de expansin dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador.Los elementos principales en un ciclo de refrigeracin por compresin a vapor son el Evaporador, el Compresor, el Condensador y la Vlvula de expansin.

El proceso inicia en el Evaporador que es donde se recibe el refrigerante en estado lquido para empezar nuevamente el ciclo.

CICLOS DE REFRIGERACIN

Una de las principales reas de aplicacin de la termodinmica es la refrigeracin, que es la transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen la refrigeracin se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otros ciclos de refrigeracin conocidos son los ciclos de refrigeracin de gas en la que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorcin de amoniaco donde existe mezcla de amoniaco y agua en algunos procesos en el ciclo.

OBJETIVO DIDCTICO:

Analizar el comportamiento de los ciclos termodinmicos de sistemas de refrigeracin por compresin de vapor y absorcin de amoniaco.

OBJETIVOS ESPECFICOS:

Describir los diferentes dispositivos termodinmicos que componen a los ciclos de refrigeracin.Estudiar los ciclos de refrigeracin por compresin de vapor simple y sus modificaciones.

Definir las principales diferencias entre los ciclos reales e ideales y las causas que las provocan. Estudiar el ciclo de refrigeracin por absorcin de amoniaco.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIN

De la prctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura sin necesidad de algn dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo (principio de la segunda ley de la termodinmica), para lograr transferir calor desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de dispositivos especiales conocidos como refrigeradores.

Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo, solo difieren en los objetivos como lo describe la figura 2-A y 2-B.

El desempeo de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los trminos de coeficiente de operacin (COP), el cual se define como:

Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calor

pueden ser mayores a uno. Debido a que: COPBC= COPR + 1

Para valores fijos de QL y QH. Esta relacin implica que COPBC + 1 puesto que COPR es una cantidad positiva, es decir, una bomba de calor funcionar en el peor de los casos, como un calentador de resistencia.La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeracin (la rapidez del calor extrado del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeracin equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeracin en convertir 1 tonelada de agua liquida a 0 C (32 F) en hielo a 0C (32 F) en24 horas.

CICLO DE REFRIGERACINComo introduccin al tema de ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinmica relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilizacin como ciclo de referencia para evaluar el desempeode otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeracin por compresin de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para as lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeracin bajo el esquema de los ciclo termodinmicos.CICLO DE CARNOT INVERSOEl ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en direccin contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot.Aunque en la prctica no es utilizado por razones que mas adelante se expondrn, sirve de referencia para evaluar el desempeo de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura.

Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturacin de un refrigerante, como el que se muestra en la figura (2.1-a) 1-2 Se transfiere (absorcin) calor reversiblemente desde la regin fra TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase.2-3 Se comprime el refrigerante isoentrpicamente, hasta que alcanza la temperatura mxima TH.3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la regin caliente a TH, de forma isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a lquido).4-1 Se expande el refrigerante isoentrpicamente hasta, alcanzar la temperatura mnima TLLos inconvenientes de un ciclo de refrigeracin de Carnot como modelo de dispositivo prctico radican en los procesos de compresin y expansin. En general debe evitarse comprimir una mezcla hmeda por el dao de las presencias de pequeas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso anlogo de las turbinas de vapor). La expansin con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restriccin a las condiciones de saturacin limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la prctica al ciclo de refrigeracin por compresin devapor.

Ciclo refrigeracin por compresin de vaporEste ciclo de refrigeracin difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la friccin del fluido (causa cadas de presin) y la transferencia de calor desde los alrededores. El diagrama T-s en un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor se muestra a continuacin.

MedioCaliente

Condensador

Vlvula de Compresor ExpansinEvaporador

Espaciorefrigerado

En el ciclo ideal el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la prctica, no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisin. En lugar de eso, es fcil disear el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. ste ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entre al compresor. Tambin, la lnea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto, la cada de presin ocasionada por la friccin del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante puede ser muy significativa. El resultado del sobrecalentamiento, de la ganancia de calor en lnea de conexin y las cadas de presin en el evaporador y la lnea de conexin, consiste en un incremento en el volumen especfico y , por consiguiente, en un incremento en los requerimientos de entrada de potencial al compresor puesto que el trabajo de flujo estable es proporcional al volumen especfico.El proceso de compresin en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, por ende, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real incluir efectos de friccin, los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropa, dependiendo de la direccin. Por consiguiente la entropa del refrigerante puede incrementarse (1-2) o disminuir (proceso1-2) durante un proceso de compresin real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresin 1- 2puede ser incluso ms deseable que el proceso de compresin isentrpico debido al que el volumen especfico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son ms pequeos en ste caso. De ese modo, el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresin siempre que sea prctico y econmico hacerlo.En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como lquido saturado a la presin de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta cada de presin en el condensador, as como en las lneas que lo conectan con el compresor y la vlvula de estrangulamiento. Adems, no es fcil ejecutar el proceso de condensacin con tal precisin como para que el refrigerante sea un lquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la vlvula de estrangulamiento antes que se condense por completo. Y en consecuencia, el refrigerante se sub enfra un poco antes de que entre a la vlvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto, se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpia inferior y por ello puede absorber ms calor del espacio refrigerado. La vlvula de estrangulamiento y el evaporador se localizar muy cerca el uno del otro de modo que la cada de presin en la lnea de conexin es pequea.

Sistema de refrigeracin por compresinEl sistema convencional derefrigeraciny el ms utilizado en elaire acondicionado, es el sistema de refrigeracin por compresin. Mediante energa mecnica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, haba absorbido el mismorefrigerantea un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energa mecnica, generalmente mediante energa elctrica. Dependiendo de los costos de la electricidad, este proceso de refrigeracin es muy costoso. Por otro lado, tomando en cuenta la eficiencia de las plantas termoelctricas, solamente una tercera parte de la energa primaria es utilizada en el proceso. Adems, los refrigerantes empleados hoy en da pertenecen al grupo delos fluoroclorocarbonos, que por un lado daan la capa de ozono y por otro lado contribuyen al efecto invernadero.

Un ciclo simple frigorfico comprende cuatro procesos fundamentales:

1. La regulacin2. La evaporacin3. La compresin4. La condensacin

1. La regulacinEl ciclo de regulacin ocurre entre el condensador y el evaporador, en efecto, el refrigerante lquido entra en el condensador a alta presin y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a travs del regulador.

La presin del lquido se reduce a la presin de evaporacin cuando el lquido cruza el regulador, entonces la temperatura de saturacin del refrigerante entra en el evaporador y ser en este lugar donde se enfra.

Una parte del lquido se evapora cuando cruza el regulador con el objetivo de bajar la temperatura del refrigerante a la temperatura de evaporacin.2. La evaporacinEn el evaporador, el lquido se vaporiza a presin y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Todo el refrigerante se vaporizada completamente en el evaporador, y se recalienta al final del evaporador.

Aunque la temperatura del vapor aumenta un poco al final del evaporador debido al sobrecalentamiento, la presin se mantiene constante.

Aunque el vapor absorbe el calor del aire alrededor de la lnea de aspiracin, aumentando su temperatura y disminuyendo ligeramente su presin debido a las prdidas de cargas a consecuencia de la friccin en la lnea de aspiracin, estos detalles no se tiene en cuenta cuando uno explica el funcionamiento de un ciclo de refrigeracin normal.3. La compresinPor la accin del compresor, el vapor resultante de la evaporacin es aspirado por el evaporador por la lnea de aspiracin hasta la entrada del compresor. En el compresor, la presin y la temperatura del vapor aumenta considerablemente gracias a la compresin, entonces al vapor a alta temperatura y a alta presin es devuelto por la lnea de expulsin.4. La condensacinEl vapor atraviesa la lnea de expulsin hacia el condensador donde libera el calor hacia el aire exterior. Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturacin que corresponde a su nueva presin. En la liberacin de su calor, el vapor se condensa completamente y entonces es enfriado.El lquido enfriado llega al regulador y est listo para un nuevo ciclo.II. PROCESOS3.1 En el compresor: Proceso adiabtico

3.2 En el condensador-enfriador: Proceso isobrico

3.3 En la vlvula de expansin: Proceso isoentlpico

3.4 En el evaporador: Proceso isobrico

CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPORUn ciclo real de refrigeracin como el mostrado en la figura 2.3 por compresin de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las ms comunes estn las irreversibilidades que suceden en varios componentes.Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la friccin del fluido (que provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

Influencia de las irreversibilidades en el compresor.El proceso de compresin en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, en consecuencia, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real incluir efectos friccionantes los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropa, dependiendo de la direccin. En el caso adiabtico e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabtico delcompresor planteado como:

Influencia de las irreversibilidades en el evaporador.En los ciclos ideales de refrigeracin, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condicin es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisin. En lugar de eso se procura disear el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para as garantizar evaporacin completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en lnea que conecta al evaporador al compresor suele producirse cadas de presin del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de Wneto = vdp

Influencia de las irreversibilidades en el condensador.En los ciclos ideales de refrigeracin, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presin de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan cadas de presin en el condensador as como en las lneas que conectan al compresor y a la vlvula de estrangulamiento, adems de la imposibilidad de mantener con precisin la regulacin del condensador para tener a la salida lquido saturado, y esindeseable enviar refrigerante a la vlvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorcin de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpa de entrada a la vlvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorcin de calor (efecto refrigerante)SELECCIN DEL REFRIGERANTE ADECUADO.Aunque en los comienzos del desarrollo de los sistemas de refrigeracin se utilizaron sustancias qumicas como el dixido de azufre, amonaco y ter etlico, desde la dcada de los treinta, el campo ha sido denominado por la clase general de sustancias denominados compuestos clofluorocarbonados (CFC). Los ms importantes se designan R-11, R-12, R-22 y R-502 (mezcla del R-22 y R115). Al final de la dcada de los ochenta se tomaron medidasinternacionales para restringir el uso de ciertos CFC, ya que se encontr que reduce la capa protectora del ozono de la atmsfera y contribuye al efecto invernadero. As en la dcada de los noventa se inicia un periodo en el que se investiga nuevos refrigerantes, como los compuestos hidrofluorocarbonados (HFC). El problema radica en el hecho de la reduccin en el COP cuando simplemente se hace el cambio del refrigerante alsistema, sin modificaciones para adaptarlo. Cuando se selecciona un nuevo refrigerante generalmente es necesario redisear el compresor.Los refrigerantes fluorados ms comunes son:R407C y R410, Es el que ms se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor.R 134a normalmente se usa en pequeas plantas de refrigeracin a causa de entre otras cosas, que calor de evaporacin de la cantidad de refrigerante en circulacin es relativamente pequeo.R 404A, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelacin donde se necesitan ms bajas temperaturas. Adems de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417, R508A, etc.Amoniaco NH3 El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeracin. Su punto de ebullicin es de -33C. El amoniaco tiene un olor caracterstico incluso en pequeas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoniaco.El ms comn utilizado en la refrigeracin y en los textos de termodinmica en la actualidad es el R-134a. al no ser agresivo al medio ambiente.

VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas.Las mquinas de compresin, al estar muy estudiadas y comercializadas, obtienen unos valores de COP muy elevados, entre 2 y 4, por lo que producen entre 2 y 4 veces ms energa frigorfica que la energa elctrica (o mecnica) que consumen. Esto hace que las mquinas de compresin resulten muy competitivas y econmicas.

Inconvenientes.

Las instalaciones de produccin de fro por compresin de vapor suponen un alto porcentaje de consumo energtico, y pueden suponer un alto impacto econmico y medioambiental. Por un lado, el efecto invernadero indirecto asociado al origen de la energa utilizada, y por otro, el efecto directo asociado a las fugas de refrigerante cuando se utilizan refrigerantes con un elevado potencial de calentamiento mundial.

MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGTICA

En lo referente al mbito energtico, el 69% de la energa que se consume en los pases de la Unin Europea se debe a aplicaciones que utilizan algn tipo de accionamiento con motores elctricos, de stos, un 14% est directamente relacionado a los sistemas de compresin de vapor. En este marco, la produccin de fro en Espaa para aplicaciones de refrigeracin y acondicionamiento de aire, representa un 30% del consumo energtico global. Por ejemplo, el sector de equipamiento domstico representa un 3.8% del consumo de energa final, de este consumo el 19% corresponde a los sistemas de refrigeracin, y el 3% a los equipos de aire acondicionado. El crecimiento medio anual del consumo de energa en este sector ha sido del 3%. Por otro lado, el sector de edificacin en Espaa representa un17% de consumo de energa final, y de ste, el 52% corresponde al uso de la energa en los sistemas de aire acondicionado (HVAC) (Belman, 2008).

EJERCICIOS RESUELTOS

1.Un refrigerador como el que se muestra en la figura usa refrigerante 134 como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor con una temperatura en el evaporador de -4 F y una presin en el condensador de 130 Psia, siendo el rendimiento adiabtico del compresor del 84%. El flujo masico del refrigerante es 6,5 lb/min. Calclese: a) la potencia real suministrada al compresor, en hp b) Capacidad de refrigeracin en Ton,c) el COP y d) desplazamiento efectivo, en pie3/min

Como primer paso se procede a colocar en la tabla los datos de presin y temperatura que proporciona el ejercicio. Debido a que el anlisis a realizar en el ciclo es energtico, se procede a determinar los valores de entalpa en cada punto del ciclo segn lo planteado tericamente.Para la entalpa 1 el fluido de trabajo es vapor saturado, buscado en la tabla el valor de hg a la temperatura de -5 FPara la entalpa en 2, se considera un proceso de compresin idealmente isentrpico entre los puntos 1-2, como el punto 1 es vapor saturado se obtiene el valor de la entropa en 1 que para este caso ser igual a la entropa en 2, lo que permitir buscar en la tabla de vapor sobrecalentado a la presin de 140 psia y la entropa de 0,2230 KJ/Kg.K el valor de la entalpa (necesita interpolar).s1 = s 2 = 0,2230KJ /Kg .KPara la entalpa en 3, el fluido a cambiado de fase convirtindose en liquido saturado (las causas de esta condicin ya estn planteadas tericamente) por lo que con la presin de 140 psia se determina la entalpa hf del fluido de trabajo.Para la entalpa en 4, el proceso en la vlvula de estrangulamiento se ha descrito como isoentalpico (condicin tericamente conocida) por lo que la entalpa de 4 es la misma de 3. Determinadas las entalpas, se procede a resolver las preguntas del enunciado:a) Para determinar la potencia real de compresin, se planta conseguir la potencia ideal y con la eficiencia proporcionada poder calcular la potencia real.Se realiza el balance de energa en el compresorh11 +comp = h22 como 1 =2 = 6,5lb /minSe tiene,comp = (h2 h1 ) ref comp = (118,88 101,02)Btu /lb 6,5lb /min comp = 116,09Btu /min 2,74hp

Se plantea la ecuacin de eficiencia adiabtica del compresor y se resuelve Calculando la potencia real del compresor

b) la capacidad de refrigeracin se obtiene determinado la cantidad de calor absorbido por el evaporador (efecto refrigerante).Inicialmente se realiza un balance de energa y masa en el evaporador paraluego determinar la cantidad de calorh44 +sum = h1 1 como 4 =1 = 6,5lb /minSe tiene,sum = (h1 h4 ) ref sum = (101,02 44,43)Btu /lb 6,5lb /min

C) Para determinar el COP es necesario aclarar que debido a que ya sedetermin la potencia real de compresin el COP a determinar se tomara encuenta este valor.

El desplazamiento efectivo es equivalente a la capacidad en flujo volumtricoque el compresor puede comprimirEn el estado V1=Vg=2 3992 pie3/lb , por tanto, el desplazamientoefectivo viene dado por

a.

2.Una mquina frigorfica utiliza el ciclo estndar de compresin de vapor. Produce 50 kWde refrigeracin utilizando como refrigerante R-22, si su temperatura de condensacin es40C y la de evaporacin -10C, calcular:a. Efecto frigorficob. Caudal de refrigerantec. Potencia de compresind. Coeficiente de eficiencia energticae. Relacin de compresinf. Caudal volumtrico de refrigerante manejado por el compresorg. Temperatura de descarga del compresorh. Coeficiente de eficiencia energtica del ciclo inverso de Carnot con las mismas temperaturas de evaporacin y condensacinSolucin:Comencemos por calcular el coeficiente de eficiencia energtica de del ciclo tericode Carnot:

Este es el lmite mximo para las eficiencias de todos los ciclos que vamos aestudiar a continuacin.La potencia frigorfica en todos los ciclos debe ser:qf=100000 frig /h 100000 kcal /h 116.28 kWa. Ciclo estndar de compresin mecnica simple.

Si trasladamos las temperaturas de evaporacin y condensacin sobre el diagramaP-h del R-22, obtenemos los siguientes valoresPresiones: pcond= 1533.5 kPa pevap= 163.5 kPaRelacin de compresin: rc===9.38Entalpas: h1=393.147 kJ /kg h2=451.021 kJ /kg 2 h3=h4= 249.674 kJ /kg

Calculemos el caudal de refrigerante a partir del balance en el evaporador:

Trabajo de compresin:

Calor de condensacin:

Coeficiente de eficiencia energtica:

EJERCICIO PROPUESTO

Un ciclo sencillo de refrigeracin que utiliza amonaco como sustancia de trabajo, necesita mantener un espacio refrigerado a 0C. El ambiente que rodea al condensador est a 38C. Considere vapor saturado a la entrada del compresor y lquido saturado a la salida del condensador.La eficiencia adiabtica del compresor es el del 100%. Determine el coeficiente de realizacin de este ciclo.