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Fig. 1. Ciclo de Carnot.

Refrigeracin (Enero 2016)Aparicio H. Miguel, DIEE, ITSSNPResumenEn este documento se abarcaran ciertos temas respecto a la unidad 1 los cuales van del 1.2 al 1.5 los cuales se explicaran a continuacin con el objetivo de comprender acerca del tema.

ndice de trminos refrigeracin, ciclo de Carnot, compresor,

INTRODUCTIONEste documento hablara acerca de los temas del ciclo de Carnot, ciclos reales de refrigeracin por compresin. Ciclos de refrigeracin de doble etapa y cascada, y ciclo de absorcin.Ciclo de CarnotEn principio, cualquier ciclo termodinmico se puede utilizar para disear una mquina o un refrigerador, segn el sentido en el que se recorra el ciclo. Puesto que, segn el enunciado del Segundo Principio ninguna mquina puede tener rendimiento 100%, es importante saber cul es el mximo rendimiento posible entre dos focos determinados. Como veremos, el ciclo de Carnot proporciona ese lmite superior entre dos focos. Este ciclo es una idealizacin ya que est constituido por transformaciones reversibles: el intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los focos se produce a travs de isotermas y las variaciones de temperatura de forma adiabtica, para que no haya prdidas de calor.

A continuacin estudiaremos este ciclo para mquinas y para refrigeradores, considerando siempre que la sustancia de trabajo es un gas ideal.Mquina de CarnotEn una mquina el ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son:1) Expansin isoterma (1-2): al gas absorbe una cantidad de calor Q1 mantenindose a la temperatura del foco caliente T1.2) Expansin adiabtica (2-3): el gas se enfra sin prdida de calor hasta la temperatura del foco fro T2.3) Compresin isoterma (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco fro, sin variar de temperatura.4) Compresin adiabtica (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.

Calculando el trabajo en las transformaciones isotermas:

y dividiendo entre s las expresiones de las variables de estado en las adiabticas obtenemos la siguiente relacin para los volmenes:

El rendimiento para una mquina de Carnot ser entonces:

Es decir, slo depende de las temperaturas de los focos. Este rendimiento es mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre los focos y es siempre menor que uno, ya que ni T2 puede ser nula ni T1 infinito.

Refrigerador de CarnotEl ciclo se recorre en sentido anti horario, ya que el trabajo es negativo (trabajo consumido por el gas):

1) Expansin adiabtica (1-2): el gas se enfra sin prdida de calor hasta la temperatura del foco fro T2.2) Expansin isoterma (2-3): el gas se mantiene a la temperatura del foco fro (T2) y durante la expansin, absorbe el calor Q2 de dicho foco.3) Compresin adiabtica (3-4): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, sin intercambio de calor.4) Compresin isoterma (4-1): al gas cede el calor Q1 al foco caliente, mantenindose a la temperatura de dicho foco T1 y cerrando el ciclo.

Fig. 2. Ciclo de Carnot de Refrigeracin

Mediante un procedimiento anlogo al anterior y recordando la definicin de eficiencia de un refrigerador, se llega para el refrigerador de Carnot a la expresin:

Teorema de Carnot

El teorema de Carnot es una consecuencia de que todas las transformaciones son reversibles, por lo que intuitivamente se deduce que ninguna mquina podr funcionar mejor, es decir, tendr mayor rendimiento.Ninguna mquina funcionando entre dos focos trmicos tiene mayor rendimiento que el de una mquina de Carnot operando entre dichos focos.Todas las mquinas reversibles que operen entre dos focos poseen el mismo rendimiento, dado por el de Carnot.Como en la prctica siempre existe algn grado de irreversibilidad, el rendimiento de Carnot proporciona un lmite superior para el valor del rendimiento, conocidas las temperaturas de los focos, independientemente de cmo se construya la mquina, de la sustancia de trabajo, etc.

III. CICLOS REALES DE REFRIGERACION POR COMPRESION. Como 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 desempeo de 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.

A. 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 ms 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 3.

Fig. 5. Ciclo de refrigeracin por compresin devapo

Fig. 3. Ciclo de Carnot Inverso.

Fig. 4. Diagrama TS de Carnot.

1) 1-2 Se transfiere (absorcin) calor reversiblemente desde la regin fra TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase. 2) 2-3 Se comprime el refrigerante isotrpicamente, hasta que alcanza la temperatura mxima TH.3) 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) 4-1 Se expande el refrigerante isotrpicamente hasta, alcanzar la temperatura mnima TL

Fig. 6. Diagrama TS

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.

B. Ciclo de Refrigeracin por Compresin de Vapor.En el proceso de compresin de vapor se realizan modificaciones al ciclo deCarnot basados en las siguientes consideraciones: 1) En el proceso de compresin, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. 2) Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo ms econmico y con cero mantenimientos (vlvula de estrangulamiento o tubo capilar). 3) La temperatura de condensacin no debe limitarse a la zona de saturacin. 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.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 porq + w = hsalida hentradaLa capacidad de refrigeracin, es el flujo de calor transferido en el evaporador Qevap planteada as:

En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que slo existe trabajo en el proceso de compresin.

C. Principio de Funcionamiento de los Principales Dispositivos del Sistema de Refrigeracin. Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra al refrigerante (ver figura 2.2-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 2.2-a). 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.

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.

Ciclos de refrigeracin de doble etapa y cascada.

En ciertas aplicaciones son necesarias temperaturas de trabajo extremadamente bajas, por debajo de - 30C por lo que la relacin de presiones para una sola etapa de compresin tiene que ser elevada; si se elige un fluido frigorfero cuyos valores de la presin en el evaporador sean moderados, resulta que las presiones en el condensador son elevadas y viceversa. A bajas temperaturas, las presiones correspondientes son muy bajas, (inferiores a la presin atmosfrica), por lo que en las zonas de produccin de fro existe una fuerte tendencia a la entrada de aire hmedo a los evaporadores, lo que implica un porcentaje de humedad que puede solidificar dando lugar a trastornos en el funcionamiento. Adems, cuanto menor sea la temperatura, el volumen especfico del vapor a la entrada del compresor ser mayor, por lo que para una misma masa de fluido frigorgeno a desplazar, a menor temperatura requerida mayor deber ser el volumen disponible del compresor.Si el fluido tiene unas caractersticas adecuadas para el evaporador y resulta que las condiciones del condensador estn cerca del punto crtico, cuando el fluido se expansione, el ttulo al final de la expansin ser muy grande, lo que disminuye el COP de la instalacin, al tiempo que exige potencias en el compresor relativamente altas, de forma que hay que recurrir a compresiones escalonadas para paliar el problema. Por so, para la produccin de fro a bajas temperaturas, se han desarrollado sistemas de compresin indirecta, en los que se utilizan fluidos frigorgenos especiales, que solventan las dificultades citadas y que por otro lado no son adecuados para trabajar en la zona de condensacin normal, ya que por un lado dan lugar a altas presiones, con el consiguiente problema de posibles fugas al exterior y por otro presentan el inconveniente de poseer bajas temperaturas crticas. Los condicionantes anteriores se resuelven con la refrigeracin en cascada, mediante una adecuada eleccin de las presiones intermedias que evite los problemas de estanqueidad y origine al mismo tiempo relaciones de compresin razonables. La produccin de fro a bajas temperaturas se consigue mediante sistemas de compresin simples, que utilizan fluidos frigorgenos especiales; para el caso de dos etapas de compresin, los vapores resultantes se comprimen hasta una cierta presin mediante un compresor de (BP) y posteriormente se condensan en un intercambiador intermedio, mediante la cesin de calor al evaporador de un segundo circuito de compresin simple por el que circula un fluido frigorgeno distinto; la condensacin del fluido frigorgeno de baja temperatura tiene por objeto la vaporizacin del de alta, tal, que pueden ser condensados con ayuda de un agente exterior; las vlvulas V1 y V2 completan ambos ciclos.

Fig. 7. Mtodo de cascada con 2 etapas de compresin.

Fig. 8. Ciclo en cascada de un ciclo simple y un ciclo de inyeccin total con enfriador intermedio de tipo cerrado

Si se superponen en un mismo diagrama (p-i) ambos sistemas, se obtiene el ciclo conjunto de la instalacin, fig7; se observa que las temperaturas de condensacin de la etapa de baja temperatura y de evaporacin de la etapa de alta temperatura no son iguales, existiendo un salto trmico DT para que tenga lugar el intercambio trmico entre los fluidos; cuanto mayor sea esta diferencia de temperaturas, la superficie de intercambio trmico ser menor.Para determinar el calor transferido en el intercambiador intermedio, se supondr no existen prdidas trmicas al exterior; haciendo un balance trmico en el intercambiador, la masa de fluido ma de la etapa de alta temperatura se obtiene en la forma:

Los principales inconvenientes que se presentan en estas instalaciones son:1) La transformacin de calor en el intercambiador intermedio (evaporador alta-condensador baja) siempre da lugar a prdidas por no ser un equipo de caractersticas ideales.2) Si la instalacin se mantiene parada durante un largo perodo, el igualar la temperatura del circuito de baja a la temperatura ambiente, da lugar a fuertes presiones en dicho circuito, por lo que se hace necesario disponer de un sistema de alivio, consistente en un recipiente de volumen apropiado, (bulbo), con vistas a impedir prdidas de fluido frigorgeno.

El estudio de una compresin en cascada de dos etapas se puede ampliar a un mayor nmero de nuevos fluidos frigorgeno y a un mayor nmero de etapas, en cuyo caso los clculos se realizarn repetidamente en cada salto; para el caso de la licuacin del aire por este mtodo se utilizan los siguientes fluidos en cascada, amonaco, etileno, oxgeno y el propio aire a licuar. Asimismo es conveniente sealar que los sistemas de compresin mltiple (directa y en cascada) no son excluyentes, pudiendo formar parte de una misma instalacin, como se indica en el ejemplo de la fig8.

1. Ciclo de absorcin.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.

Fig. 9. Ciclo de Absorcin de amoniaco.

El COP de sistemas de refrigeracin por absorcin se define como:

El COP mximo de un sistema de refrigeracin por absorcin se determina suponiendo que el ciclo es totalmente reversible, con base en la figura 9 se plantea:

Fig. 9. Maquina trmica de refrigeracin

Referenciashttp://s3.amazonaws.com/ppt-download/tema-2-ciclos-de-refrigeracion1-140309231241-phpapp01.pdf?response-content-disposition=attachment&Signature=3HL486rCdVCDJ3sfUf5B9v31%2BsU%3D&Expires=1453875520&AWSAccessKeyId=AKIAJ6D6SEMXSASXHDAQ

6TEMAS 1.2 1.5, UNIDAD 1. REFRIGERACIN.

[2] http://www.maquinaval.org.ar/images/descargables/Refrigeracion.pdf