República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

I.U.P. “Santiago Mariño”

Extensión Ciudad Ojeda

Ciclos termodinámicos de

refrigeración

Realizado Por:

Edison Marrufo, C.I: 23866242

La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. 

Ciclo termodinámico de refrigeración

La refrigeración es empleada para absorber el calor de un recinto, disipándolo en el ambiente. Se dice que hay refrigeración cuando la temperatura deseada es menor que la del ambiente. Su aplicación es de gran importancia en la industria alimenticia para la licuación de gases y para la condensación de vapores.

La transferencia de calor de un medio de alta temperatura a uno de baja temperatura requiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores; estos dispositivos cíclicos cuyo fluido de trabajo es el refrigerante.

Ciclo ideal de refrigeración por compresión

Este es el empleado con mayor frecuencia y consta de 4 puntos que son evaporación, condensación, control y expansión, a continuación, un breve resumen sobre estas:

Evaporación

Esta es la etapa en que el refrigerante absorbe el calor del ambiente o espacio que lo rodea y posteriormente este lo enfría. Esta etapa tiene lugar en el evaporador, el cual es llamado así debido a que; aquí el refrigerante se evapora, cambia de líquido a vapor.

Compresión

Luego del proceso de evaporación, el refrigerante ya en forma de vapor a baja presión, pasa al compresor donde es comprimido aumentando su presión, lo cual es necesario para que el gas refrigerante cambie fácilmente a líquido y sea dirigido hacia la etapa de condensación.

Condensación

En esta etapa el ciclo se efectúa en una unidad llamada “condensador” que se localiza en el exterior del espacio refrigerado. Aquí el gas refrigerante a alta presión y temperatura, expulsa calor hacia el medio ambiente, este es enfriado por una corriente de agua o aire cambiando a gas líquido frío de alta presión.

Control y expansión

Esta etapa es desarrollada por un mecanismo de control de flujo, este dispositivo retiene el flujo y expansiona el refrigerante para facilitar su evaporación posterior. Luego de que el refrigerante sale del control de flujo se dirige al evaporador para absorber calor y comenzar de nuevo el ciclo.

Ciclo de refrigeración por compresión de vapor

Difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes son la fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la reacción.

El vapor saturado en el estado 1 se comprime isotrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el fluido se convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja, se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulación. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo.

Sistemas de refrigeración en cascada

Un ciclo de refrigeración en cascada consiste en efectuar el proceso de refrigeración por etapas, es decir, dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. Un ciclo de refrigeración en cascada consiste en efectuar el proceso de refrigeración por etapas, es decir, dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior. Suponiendo que el intercambiador de calor está bien aislado y que las energías cinéticas y potenciales son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. En el sistema de cascada los refrigerantes en ambos ciclos se suponen iguales y El refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión.

Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas (<-50C). Últimamente este tipo de sistema se ha vuelto más popular al ser necesario en aplicaciones de baja temperatura utilizando R744 (CO2) como refrigerante en sistemas conocidos como subcríticos.

Hay varias industrias que se benefician de este tipo de sistemas. La industria farmacéutica utiliza un proceso llamado liofilización donde utiliza

temperaturas muy bajas en conjunto con bombas de vacío para congelar y luego sublimar H2O y así deshidratar el producto.

La industria aeronáutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizándola en cámaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90ºC para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biológicos.

Al trabajar con temperaturas tan bajas, se requiere un aislamiento tanto de tuberías como de todas las partes que estén expuestas y que tengan una temperatura más baja que la de rocío y siendo este aislamiento suficiente en las partes donde la temperatura este debajo de 0ºC. Esto es para evitar condensación y/o congelamiento de la humedad en el ambiente.

Beneficios: Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la temperatura de disminuye en comparación a un sistema de una sola etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del compresor.

Criterios que determinan las restricciones del Ciclo de refrigeración por compresión de vapor y sustitución por el sistema en cascada.

• La diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es grande.

• La variación de la presión del vapor con la temperatura de saturación de un único refrigerante no se ajusta a los valores deseados para el evaporador y el condensador.

• Cuando se utiliza una sola unidad de compresión disminuye la capacidad de refrigeración.

Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas

Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. El proceso de compresión en este sistema es similar a una compresión de dos etapas, entonces el trabajo del compresor disminuye.

En estos ciclos de refrigeración intermedia el sumidero de energía puede ser el mismo refrigerante, ya que, en muchos puntos del ciclo, la temperatura del refrigerante es inferior a la temperatura del ambiente. Por tanto, el intercambiador de calor que funciona como refrigerador intermedio, se convierte en un intercambiador regenerativo, ya que el calor se transfiere de forma interna en el sistema.

Sistemas de refrigeración de usos múltiples con un solo compresor

Algunas aplicaciones requieres refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograse con una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes, sin embargo, un modelo más práctico es enviar todos los flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo. Ejemplo: Considere, una unidad ordinaria de congelador-refrigerador.

Sistemas de refrigeración por absorción

Otra forma de refrigeración cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a unas temperaturas entre 80 y 200 °C es la refrigeración por absorción. El principio de funcionamiento es semejante al ciclo de compresión: el refrigerante absorbe calor al evaporarse y después se condensa para recomenzar el ciclo, pero la diferencia estriba en que, en vez de un compresor, como su nombre indica, en estos sistemas de refrigeración el ciclo se cierra mediante la absorción del refrigerante por un medio de transporte (o absorbente) y posterior separación de la disolución por medio del calor para recomenzar el ciclo. Los ciclos de refrigeración por absorción frecuentes son:

amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2O) es el absorbente.

agua-bromuro de litio, donde el agua (H2O) sirve como refrigerante y el bromuro de litio (LiBr) como absorbente, siendo este sistema el que mejores rendimientos tiene, aunque tiene el inconveniente de que no puede funcionar a menos de 0 °C (temperatura de congelación del agua, el refrigerante), lo que no obsta para los sistemas de refrigeración de espacios habitados.

El calor que toma el fluido refrigerante a baja temperatura y presión es cedido a temperatura intermediaria y alta presión luego de haber evaporado de una solución por medio de un calentamiento. Se diferencia de los anteriores por no recibir energía mecánica y se puede usar cualquier fuente de calor que resulte económica.

Todos estos sistemas producen una región fría por evaporación de un fluido refrigerante a baja temperatura y presión. Esto solo puede ser posible si se hace un trabajo sobre el refrigerador, por lo tanto, se condiciona al refrigerador para que, transfiera calor del cuerpo más frio (el contenido del refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto).

APLICACIONES

La climatización de espacios habitados, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.

La conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos.

Los procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear.

La criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.

Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. El líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que

rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero.

Máquinas-herramientas: las máquinas herramientas también llevan incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente,

Aparatos electrónicos: la mayoría de los aparatos electrónicos requieren refrigeración, que generalmente consiguen mediante un ventilador, que hace circular el aire del local donde se sitúan, y otras veces sencillamente haciendo circular el aire por convección.