1. 1. Repblica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politcnica de la Fuerza Armada Ncleo Sucre sede Cuman Ciclos de refrigeracin Revisado por: Realizado por: Bravo, Doriangel C.I: 23817512 Dimas, Jos C.I: Ingeniera Mecnica Mayo, 2015
2. 2. INDICE INDICE................................................................................................................................................2 INTRODUCCION..................................................................................................................................3 CICLOS DE REFRIGERACION................................................................................................................4 ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIN.....................................................4 CICLO DE CARNOT INVERSO...............................................................................................................6 CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR..................................................................8 Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeracin...........10 CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR.......................................................11 Influencia de las irreversibilidades en el compresor.....................................................................12 Influencia de las irreversibilidades en el evaporador...................................................................12 Influencia de las irreversibilidades en el condensador.................................................................13 SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR MLTIPLES ETAPAS...........................13 CICLO DE REFRIGERACIN POR ABSORCIN DE AMONIACO...........................................................15 CONCLUSIN....................................................................................................................................18 BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................20
3. 3. INTRODUCCION El calor puede transferirse desde cuerpos de menor temperatura a otros de mayor temperatura, para lo cual deben utilizarse sistemas tcnicos que permitan el uso de potencia para realizar esa funcin. Este tipo de sistemas se conoce como sistemas de refrigeracin y operan con sustancias de trabajo que cambian de fase o que se mantienen como gases durante el proceso. Los primeros se conocen como ciclos de refrigeracin por compresin de vapor o ciclos Clausius-Rankine invertidos y son los ms utilizados comercialmente. Los ciclos de refrigeracin por compresin de gas corresponden al ciclo Joule- Brayton invertido y son utilizados para el acondicionamiento del aire en las cabinas de aeronaves, por ejemplo. Los ciclos de refrigeracin incluyen los procesos de compresin de la sustancia refrigerante; su condensacin hasta lquido saturado o levemente subenfriado; la expansin de este lquido, normalmente en una vlvula de estrangulacin, y su evaporacin en el recipiente del cuarto fro, en el cual se retira calor a las sustancias que deben enfriarse. El uso de vlvulas de estrangulacin a cambio de turbinas para realizar la expansin de la sustancia refrigerante se debe a los bajos niveles de potencia que pueden generarse segn las condiciones de operacin de estos sistemas y a que se evitan costos debido al uso de dispositivos sin partes en movimiento relativo y con exigencias de mantenimiento menores. Los principales componentes de un sistema de refrigeracin son el compresor, el intercambiador de calor o condensador, la vlvula de estrangulamiento, y el evaporador, que es donde ingresa calor a la sustancia refrigerante proveniente del medio que se est enfriando.
4. 4. CICLOS DE REFRIGERACION 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. 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. Los refrigeradores son dispositivos cclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeracin se llaman refrigerantes. En la figura 1-A, se muestra de manera esquemtica un refrigerador. En este caso QSum es la magnitud del calor extrado del espacio refrigerado a la temperatura Tsum, Qced es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la temperatura Tced y Wneto, es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analiz, Qsum y Qced representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas. 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 1-A y 1-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: Ecuacin (1)
5. 5. Ecuacin (2) Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calorpueden ser mayores a uno. Debido a que: Ecuacin (3) Para valores fijos de QL y QH. Esta relacin implica que COPBC f 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) en 24 horas. (fig 1-a): Esquema de sistema de refrigeracin.
6. 6. (Fig 1-b): Esquema de sistema de Bomba de calor. CICLO DE CARNOT INVERSO El 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, sirve de referencia para evaluar el desempeo de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura
7. 7. (fig 2.1-a): Ciclo de Carnot inverso. (fig 2.1-b): Diagrama Ts de Carnot. 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)
8. 8. 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 TL Los 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 de vapor. CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR. En el proceso de compresin de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones: En el proceso de compresin, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo ms econmico y con cero mantenimientos (vlvula de estrangulamiento o tubo capilar). La temperatura de condensacin no debe limitarse a la zona de saturacin.
9. 9. Muchos aspectos imprcticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una vlvula de expansin o tubo capilar (ver figura 3.1-a) (fig 3.1-a): Ciclo de refrigeracin por compresin de vapor. (fig 3.1-b): Diagrama Ts.
10. 10. Para cada proceso, la ecuacin general de energa en rgimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variacin de la energa cintica y potencial est dada por Ecuacin (4) La capacidad de refrigeracin, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada as: Ecuacin (5) En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que slo existe trabajo en el proceso de compresin. El coeficiente de operacin del ciclo est dado por: Ecuacin (6) Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeracin. Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra al refrigerante (ver figura 3.1-a), que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturacin del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la regin fra. Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver figura 3.1-b). El agua y el aire atmosfrico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturacin del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosfricas.
11. 11. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberacin del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presin y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento. Vlvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presin (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador. CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR Un ciclo real de refrigeracin como el mostrado en la 4.1a 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. (fig 4.1-a): Ciclo de refrigeracin por compresin de vapor
12. 12. (fig 4.1-b): Diagrama Ts real. 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 del compresor planteado como: Ecuacin (7) 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
13. 13. 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 es indeseable 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) SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR MLTIPLES ETAPAS Para sistemas de compresin de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del compresor, se realizan modificaciones que consiste en incluir la compresin multietapa con refrigeracin intermedia. En estos ciclos de refrigeracin intermedia el sumidero de energa 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. La fraccin de vapor que se forma en la cmara de evaporizacin instantnea, es la calidad X del fluido en el estado 6 del diagrama de mquinas tal como se observa en la figura 5.1-a, y es la fraccin de flujo que pasa por la cmara de mezcla proveniente de la
14. 14. cmara de evaporacin instantnea. La fraccin de lquido formado es 1-X, que corresponde a la fraccin del flujo total que pasa por el evaporador. (fig 5.1-a): Diagrama de maquina del sistema multietapa. (fig 5.1-b): Diagrama Ts. Fuente: Yunus Aplicando el balance de energa en la cmara de mezcla en condiciones adiabticas, para determinar la entalpa, a la salida de la cmara se tiene:
15. 15. Ecuacin (8) El efecto de refrigeracin por unidad de masa que atraviesa el evaporador es: Ecuacin (9) El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador es la suma de las dos (2) etapas, es decir: Ecuacin (10) El COP del ciclo de compresin de vapor de dos etapas, con refrigeracin intermedia regenerativo, se sigue definiendo como: Ecuacin (11) CICLO DE REFRIGERACIN POR ABSORCIN DE AMONIACO. Los sistemas de refrigeracin por absorcin, implican la absorcin de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeracin por absorcin ms utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) como el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeracin por absorcin son los de agua- bromuro de litio y agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como transporte.
16. 16. (fig 6.1a): Ciclo de Absorcin de amoniaco El COP de sistemas de refrigeracin por absorcin se define como: Ecuacin (12) El COP mximo de un sistema de refrigeracin por absorcin se determina suponiendo que el ciclo es totalmente reversible, con base en la figura 6.1b se plantea: (6.1 b): Maquina trmica de refrigeracin. .
17. 17. Ecuacin (13) Ecuacin (14)
18. 18. CONCLUSIN Un refrigerador se define como una mquina cuya funcin principal es la de atrapar calor de una zona de baja temperatura para transferirlo posteriormente al medio circundante. Si la temperatura a la cual se disipa el calor es lo suficientemente alta como para que sea til como en un sistema de calefaccin, la mquina se denomina bomba de calor. La sustancia de trabajo que funciona en un refrigerador comn recibe el nombre de refrigerante. El ciclo bsico de refrigeracin opera de la siguiente forma: el refrigerante lquido a alta presin es alimentado al tanque recibidor a travs de la tubera de lquido, pasando por un filtro desecante hacia el instrumento de control, que separa los lados de alta y de baja presin del sistema. Existen varios instrumentos de control de flujo que pueden emplearse, por ejemplo, la vlvula de expansin, que controla la alimentacin del refrigerante lquido al evaporador y que, por medio de un pequeo orificio, reduce la presin y la temperatura del refrigerante. La reduccin de presin en el refrigerante lquido provoca que ste hierva o se vaporice, hasta que el refrigerante alcanza la temperatura de saturacin correspondiente a la de su presin. Conforme el refrigerante de baja temperatura pasa a travs del evaporador, el calor del elemento a enfriar fluye a travs de las tuberas, haciendo que la accin de ebullicin contine hasta que el refrigerante se encuentre totalmente vaporizado. La vlvula de expansin regula el flujo a travs del evaporador para mantener el sobrecalentamiento constante, con el propsito de mantener el diferencial de temperatura que existe entre la temperatura de vaporizacin y el vapor que sale del evaporador. Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador cambia, el bulbo de la vlvula de expansin registra variacin y acta para modular la alimentacin a travs de la vlvula de
19. 19. expansin a fin de adaptarse a las nuevas necesidades. El vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a travs de la lnea de succin hacia la entrada del compresor. El compresor toma el vapor a baja presin y lo comprime aumentando tanto su presin, como su temperatura. El vapor caliente, al alcanzar una alta presin, es bombeado fuera del compresor a travs de la vlvula de descarga hacia el condensador. A medida que pasa a travs de ste, el gas a alta presin es enfriado por algn medio externo. En sistemas enfriados por aire se suelen emplear un ventilador y un condensador aletado; en sistemas enfriados por agua, un intercambiador de calor refrigerado por agua. Mientras el vapor del refrigerante alcanza la temperatura de saturacin, correspondiente a la alta presin del condensador, el vapor se condensa y fluye al recibidor como lquido, repitindose nuevamente el ciclo.
20. 20. BIBLIOGRAFIA Cengel, Y. y Boles, M. Termodinmica. McGraw-Hill. Sptima edicin, Mxico, 2012. Wark, K. y Richards, D. Termodinmica. McGraw-Hill. Sexta edicin, Espaa, 2001.