CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZARCOMANDO DE INSTITUTOS MILITARES DEL EJÉRCITO ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA “MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA

CICLO DE REFRIGERACIÓN Y ENTROPÍA

1. Introducción.

La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc, hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío.En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde y Windhausen la de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, etc. Un capítulo aparte merece Carré, propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de eyección.Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la evolución industrial a que obliga el continuo alza de la vida. La refrigeración tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc.Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social.En un sistema de refrigeración se necesitan controles sobre el nivel de líquido del refrigerante y sobre la temperatura del espacio refrigerado. El control del líquido regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador y también sirve como barrera de presión entre la alta presión de operación del condensador y la presión más baja de operación del evaporador. En este punto, el tubo capilar y la válvula de expansión, entre otros dispositivos de expansión, adquieren importancia llegándose a considerar estrictamente necesarios en toda instalación automática de refrigeración. Estos dispositivos constituyen principalmente una restricción colocada en el sistema, la cual hace posible que el compresor por medio de su

CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZARefecto de bombeo mantenga cierta diferencia de presión. Además, controlan la velocidad de flujo del refrigerante desde el lado de alta presión hacia el de baja. Dada la importancia que revisten, será objeto de la presente práctica la descripción y conocimiento del principio de funcionamiento de los dispositivos de expansión más ampliamente usados como lo son el tubo capilar y la válvula de expansión. Cabe en este punto señalar que el control del líquido por tubo capilar está restringido en gran parte a las unidades relativamente pequeñas, armadas y cargadas en la fábrica y en particular para los sistemas sellados en forma hermética. La válvula de expansión a presión constante que mantiene una presión constante en el evaporador y la válvula de expansión térmica que mantiene un sobrecalentamiento constante al salir del evaporador, son controles estándar del líquido para la mayor parte de las aplicaciones comerciales.

2. Objetivo.

Estudiar brevemente el Ciclo de Refrigeración y la Entropía.

3. Marco Teórico.3.1. Refrigerantes.

Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo compresión−vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cuál alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente. Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el ciclo antes mencionado, debe poseer ciertas propiedades físicas, químicas y termodinámicas que lo hagan seguro durante su uso. No existe un refrigerante ideal ni que pueda ser universalmente adaptable a todas las aplicaciones. Entonces, un refrigerante se aproximará al ideal, solo en tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de la aplicación para la que va a ser utilizado.

3.1.1. Propiedades que debe de tener los Refrigerantes.

Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que los fluidos cumplan con la mayoría de las siguientes características:

- Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la temperatura ambiente, a presión atmosférica. (evaporador)

CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZAR- Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser

controlable con facilidad de modo que su capacidad de absorber calor sea controlable también.

- Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de vaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en circulación.

- No inflamable, no explosivo, no tóxico.- Químicamente estable: A fin de tolerar años de repetidos cambios de

estado.- No corrosivo: Para asegurar que en la construcción del sistema puedan

usarse materiales comunes y la larga vida de todos los componentes.- Moderadas presiones de trabajo: Las elevadas presiones de

condensación (mayor a 25−28kg/cm2) requieren un equipo extrapesado. La operación en vacío (menor a 0 kg/cm2) introduce la posibilidad de penetración de aire en el sistema.

- Fácil detección y localización de pérdidas: Las pérdidas producen la disminución del refrigerante y la contaminación del sistema.

- Inocuo para los aceites lubricantes: La acción del refrigerante en los aceites lubricantes no debe alterar la acción de lubricación.

- Bajo punto de congelación: La temperatura de congelación tiene que estar muy por debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador.

- Alta temperatura crítica: Un vapor que no se condense a temperatura mayor que su valor crítico, sin importar cuál elevada sea la presión. La mayoría de los refrigerantes poseen críticas superiores a los 93°C.

- Moderado volumen específico de vapor: Para reducir al mínimo el tamaño del compresor.

- Bajo costo: A fin de mantener el precio del equipo dentro de lo razonable y asegurar el servicio adecuado cuando sea necesario.

3.2. Amoniaco como Refrigerante.

Aunque el amoníaco es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones, sus excelentes propiedades térmicas lo hacen ser un refrigerante ideal para fábricas de hielo, para grandes almacenes de enfriamiento, etc., donde se cuenta con los servicios de personal experimentado y donde su naturaleza tóxica es de poca consecuencia. El amoníaco es el refrigerante que tiene más alto efecto refrigerante por unidad de peso. El punto de ebullición del amoníaco bajo la presión atmosférica estándar es de −2,22°C, las presiones en el evaporador y el condensador en las condiciones de tonelada estándar es de −15°C y 30°C son 34,27 libras por pulgada2 y 169,2 libras por pulgada2 abs., respectivamente,

Válvula de

Expansión

CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZARpueden usarse materiales de peso ligero en la construcción del equipo refrigerante. La temperatura adiabática en la descarga es relativamente alta, siendo de 98,89°C para las condiciones de tonelada estándar, por lo cual es adecuado tener enfriamiento en el agua tanto en el cabezal como en el cilindro del compresor. En la presencia de la humedad el amoníaco se vuelve corrosivo para los materiales no ferrosos. El amoníaco no es miscible con el aceite y por lo mismo no se diluye con el aceite del cárter del cigüeñal del compresor. Deberá usarse un separador de aceite en el tubo de descarga de los sistemas de amoníaco. El amoníaco es fácil de conseguir y es el más barato de los refrigerantes. Su estabilidad química, afinidad por el agua y no−miscibilidad con el aceite, hacen al amoníaco un refrigerante ideal pare ser usado en sistemas muy grandes donde la toxicidad no es un factor importante.

3.3. Ciclo de Refrigeración por compresión de Vapor.

Se considera el ciclo de refrigeración ideal para una sustancia de trabajo que cambia de fase durante el ciclo, de manera equivalente a lo que se hace en el ciclo de potencia de Rankine.

Figura (1): Ciclo de Refrigeración ideal por Compresión de VaporFuente: Fundamentos de Termodinámica

El vapor saturado a baja presión entra al compresor y sufre una compresión adiabática reversible, proceso 1-2. A continuación se rechaza calor a presión constante en el proceso 2-3 y el fluido de trabajo sale del condensador como líquido saturado. Sigue a esto un proceso de obturación adiabática, proceso 3-4 y el fluido de trabajo se evapora después a presión constante, proceso 4-1, para completar el ciclo.

1

2

4

3

Condensador

Evaporador

Compresor

Trabajo

QH

QL

Condensador

EvaporadorAbsorbedor

Generador

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3.4. Ciclo de Refrigeración por absorción de Amoniaco.

Este ciclo difiere del ciclo por compresión de vapor en la forma en que se realiza la compresión. En el ciclo de absorción, el vapor de amoniaco a baja presión se absorbe en agua y la solución líquida se bombea hasta una presión elevada por medio de una bomba que maneja líquidos.

Figura (2): Ciclo de Refrigeración por Absorción de AmoniacoFuente: Fundamentos de Termodinámica

El vapor de amoniaco de baja presión que sale del evaporador entra al absorbedor donde es absorbido en la solución con baja concentración de amoniaco. Este proceso se lleva a cabo a una temperatura ligeramente superior a la del entorno. Durante este proceso se debe transferir calor al entorno. La solución concentrada de amoniaco se bombea a través de un cambiador de calor hasta el generador, donde se mantiene una presión y temperatura más elevadas. En estas

QH (al entorno)

QL (de la caja fría)

W

QL` (al entorno)

QH` (de la fuentede alta temperatura)

Vapor de amoniaco de baja presión

Vapor de amoniaco de alta presión

AmoniacoLíquido

Válvula de Expansión

Cambiador de Calor

Bomba

Solución de Amoniaco

concentrada

Solución de Amoniaco

diluida

CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZARcondiciones, el vapor de amoniaco sale de la solución a medida que se transfiere calor desde una fuente a temperatura elevada. El vapor de amoniaco pasa al condensador donde se condensa como en el sistema por compresión de vapor y después pasa a la válvula de expansión y al evaporador. La solución diluida de amoniaco se regresa (se refluja) al absorbedor a través del cambiador de calor.

3.5. Entropía.

- Cuando ; así que el proceso es irreversible.- Cuando ; la igualdad entre y es sólo para un

proceso reversible. - Pero cuando ; es porque:

* Posibilidad de tener trabajo cíclico desde un reservorio de calor. Podemos ver el proceso propuesto en la Figura (3) como la absorción del calor Q, por un dispositivo o un sistema, funcionando en un ciclo, sin expeler ningún calor y realizando trabajo. El cambio total de la entropía es la suma del cambio en el reservorio, el sistema o dispositivo, y los alrededores. El cambio de la entropía del depósito es . El cambio de la entropía del dispositivo es cero, porque suponemos un ciclo completo (de regreso al estado inicial) y la entropía es una función de estado. Los alrededores reciben solamente trabajo así que el cambio de la entropía de los alrededores es cero. El cambio total de la entropía es

   

 

Figure (3): Trabajo de un solo depósito del calorFuente: Fundamentos de Termodinámica

Observemos que el cambio total de la entropía en el proceso propuesto es menor que cero:

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Que es imposible pues viola la Segunda Ley, así esto nos dice que es imposible obtener trabajo de un solo depósito únicamente si el dispositivo opera cíclicamente. En este caso la palabra únicamente significa que no ocurra ningún otro cambio.

4. Conclusiones.

Se ha llegado a estudiar que son los refrigerantes, que propiedades deben tener estos fluidos para ser considerados como refrigerantes, o al menos deberán cumplir la mayoría de las condiciones para ser considerados como tales, debido a que no existe un refrigerante ideal; también se estudio el Ciclo de refrigeración por Compresión de Vapor y el Ciclo de Refrigeración por Absorción de Amoniaco, que prácticamente solo difieren por la forma en que se realiza la compresión; y finalmente se analizó la entropía cuando es mayor a cero se trata de un proceso irreversible, cuando es igual a cero se trata de un proceso reversible y cuando es menor a cero se trata de un caso imposible, pues viola la Segunda Ley, así esto nos dice que es imposible obtener trabajo de un solo depósito únicamente si el dispositivo opera cíclicamente. En este caso la palabra únicamente significa que no ocurra ningún otro cambio.

5. Bibliografía.

Libro: Fundamentos de Termodinámica/ Autor: Gordon J. Wylen (2.002).Libro: Química Industrial/Autor: Gabriel Caprarulo (Universidad Tecnológica del Sureste de Veracruz).Libro: Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química/ Autor: J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott. Fuente: Biblioteca Premium Microsoft Encarta 2007Página: http://www.Microsoft Encarta.com.esp.//Fuente: Wikipedia. La Enciclopedia Libre.Página: http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADmbolo_de_risco//

Glorioso Ingeniero el Azul es tu ColorY Gran Castillo tu Emblema de Valor”.