REALIZADO POR: Francisco Luna I 3,5 Andrés Mayorga G 4,3 Ronald Ospino Eduardo Tapia I 3,5 Heiner...

CICLOS DE REFRIGERACÍON

REALIZADO POR:

Francisco Luna I 3,5 Andrés Mayorga G 4,3

Ronald Ospino Eduardo Tapia I 3,5

Heiner Vega


INTRODUCION

Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío o la refrigeración revisten un gran interés dentro de la evolución industrial a que obliga la continua alza de la vida.

Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social.

Lo cual trae por consiguiente una alta demanda energética en todo el mundo, siendo hoy foco de estudio en el proceso de eficiencia energética global y que abarca muchas ingeniería como la ingeniería eléctrica.


Hablar de los ciclos de refrigeración es hablar de las técnicas de producción de frio y que consiste en mantener un espacio a una temperatura T más baja que la del ambiente. Y esto tiene un sin número de aplicaciones:

Conservación de alimentosAcondicionamientos del aireCombustibles líquidos (cohetes)Medicina (N2 liquido, criogénica,…)Investigación (microscopios electrónicos, superconductividad,…)


CONCEPTOS BASICOS

Calor:

Tasa de Transferencia de calor:

Calor especifico:

Entropía:


CONCEPTOS BASICOS

Proceso Isentrópico: Iguales entropías “S”

Proceso Isotérmico: Iguales Temperaturas “T”

Entalpia : “H” Es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

Grafica de cambio de fase P-v, T-v y T-s


REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR.Sabemos que de manera natural el calor fluye de las zonas de mayor temperatura a la de menor temperatura. Este proceso fluye en la naturaleza sin que se requiera algún dispositivo.


El proceso inverso, sin embargo, no sucede por sí solo. La transferencia de calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura requiere de dispositivos especiales. Estos dispositivos se denominan refrigeradores.

Los Refrigeradores son dispositivos cíclicos, que mantienen una temperatura T mucho menor que la de su entorno y los fluidos de trabajo utilizados en su ciclo de refrigeración se llaman refrigerantes.

Bomba de calor Es un dispositivo cíclico que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura.


Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo, únicamente difieren de sus objetivos:

El refrigerador mantiene un espacio refrigerado a una temperatura más baja de su ambiente, extrayendo calor de él y la descarga de este calor a un medio de temperatura alta es una parte necesaria de esta operación.

Y el objetivo de la bomba de calor es mantener un espacio calentado a una temperatura mayor que el ambiente. Esto se logra al absorber calor de una fuente de baja temperatura.


CICLOS DE REFRIGERACION O PRODUCION DE FRIO

Ciclo por compresión de vapor: donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor.

Cicló refrigeración de gas: en el que el refrigerante permanece todo el tiempo en estado gaseoso.

Ciclo por refrigeración en cascada: donde se utiliza más de un ciclo de refrigeración.

Ciclo refrigeración por absorción: donde el refrigerante se disuelve en un liquido antes de ser comprimido.

Refrigeración Termoeléctrica, donde la refrigeración es producida mediante el paso de la corriente eléctrica a través de dos materiales distintos.


TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO

Hablar de producción de frío es tanto como hablar de extracción de calor; existen diversos procedimientos que permiten su obtención, basados en el hecho de que si entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la transmisión de calor de uno a otro se puede efectuar por conducción y radiación.Procedimientos químicos.-

Procedimientos físicos.-Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia

subdividen - Por fusión - Por sublimación - Por vaporización



- Por vaporización Circuito abierto (vaporización directa) Circuito cerradoComo característica general de estos métodos, hay que hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión




CLASIFICACIÓN.- Las máquinas frigoríficas se pueden clasificar, según el sistema utilizado para la recogida de vapores, en la siguiente forma:

Máquinas de adsorción, en las que los vapores son captadas mediante un absorbente sólido.

Máquinas de absorción, en las que los vapores que se forman añadiendo calor al sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente líquido.

Máquinas de eyección, en las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el paso de otro fluido a gran velocidad.



Máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador; los compresores pueden ser de émbolo o rotativos, con o sin refrigeración intermedia. Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigoríficos industriales.



Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso En estos sistemas se consigue el enfriamiento del mismo, mediante dos tipos de máquinas:

a) Para la producción de aire líquido, (efecto Brayton- Joule-Thomson)

b) Las máquinas refrigeradoras de aire, en las que el aire comprimido al expansionarse en un expansor (turbina o cilindro de trabajo), se enfría, realizando al mismo tiempo un trabajo, que puede ser aprovechado para la compresión del aire.



Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido frigorígeno.- En estos sistemas se utiliza un fluido frigorígeno (salmuera) que previamente se ha enfriado por algún tipo de procedimiento; durante el enfriamiento de la salmuera no se produce cambio de estado en la misma, ni tampoco cuando ésta capta calor del producto a enfriar, por lo que el calor eliminado de la carga lo toma la salmuera en forma de calor sensible.



Métodos especiales.- Existen otros métodos en los que la producción de frío se obtiene por técnicas distintas de las anteriormente descritas, pudiéndose enunciar, entre otras, las siguientes:

- Efecto Peltier (Termoeléctrico).-

- Efecto Haas-Keenson.-

- Efecto Ettingshausen (Termo-magneto-eléctrico).-

- Efecto de Ranke-Hilsh (Torbellino).-


CICLO INVERSO DE CARNOT

Ciclo de Carnot: Es el ciclo en que muchas maquinas térmicas trabaja en el cual un fluido de trabajo cambia de estado y al final vuelve a su estado inicial. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante la otra parte se hace trabajo sobre el fluido.

El ciclo de Carnot consta de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos (isentrópicos) y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado.

El ciclo inverso de Carnot es conocido también como el ciclo de refrigeración de Carnot y es el modo de operación de muchas maquinas de producción de frio y estas maquinas se conocen como maquinas de refrigeración de Carnot.


CICLO DE CARNOT


DIFERENCIA ENTRE EL CICLO DE CARNOT Y CICLO INVERSO


COEFICIENTES DE EFECTO FRIGORÍFICO COPr y COPbc

Los ciclos inversos de motores térmicos, o ciclos frigoríferos, permiten la transferencia de calor desde una fuente fría, hasta otra fuente a mayor temperatura, fuente caliente; estos ciclos vienen caracterizados por un coeficiente de efecto frigorífico, que es la relación entre la cantidad de calor extraída a la fuente fría y el trabajo aplicado al ciclo mediante un compresor.

El desempeño de Refrigeradores y Bombas se expresa en términos del COEFICIENTE DE DESEMPEÑO (COP).


COEFICIENTES DE EFECTO FRIGORÍFICO COPr y COPbc

El índice COP se relaciona con el Índice de eficiencia energética EER; que es la cantidad de calor eliminado en un espacio enfriado en unidades de BTU o Wh y sabiendo que 1 Kwh = 3412 BTU

Su relación seria :


CICLOS DE REFRIGERACION


LOS CICLOS MÁS UTILIZADOS SON:

CICLO IDEAL POR COMPRESION DE VAPOR


CICLO IDEAL POR COMPRESION DE VAPOR

Este ciclo es el más utilizado en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor.

Y se llama ideal por es un proceso reversible donde no existe perdidas de calor y no hay caídas de presiones

Se compone de cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en un compresor2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador3-4 Estrangulamiento de un dispositivo de expansión 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador


CICLO REAL POR COMPRESION DE VAPORUn ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno ideal principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes.

Dos fuentes comunes de irreversibilidad:

• Son la fricción del fluido (causa caídas de presión)• Transferencia de calor hacia o desde los alrededores


El diagrama T-S seria y su esquema seria:


SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado y más adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeración. Estos sistemas son simples, económicos, confiables y prácticamente libres de mantenimientos. Sin embargo para aplicaciones industriales la eficiencia – no la simplicidad es lo más importante. También pará procesos industriales resulta inadecuado y se necesita modificarse.

SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA

SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE MULTIPLES ETAPAS

SISTEMAS DE REFRIGERACION DE PROPOSITO MULTIPLE CON UN SOLO COMPRESOR


SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA


SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE MULTIPLES ETAPAS


SISTEMAS DE REFRIGERACION DE PROPOSITO MULTIPLE CON UN SOLO COMPRESOR


CICLO DE LICUEFACCION DE GASESLa licuación o licuefacción es el cambio de estado gaseoso al líquido. El proceso ocurre por la acción de la temperatura y el aumento de la presión, lo que diferencia a la licuación de la condensación, la cual contece cuando una sustancia cambio de estado pasando del vapor al líquido, únicamente por la disminución de la temperatura.

La licuefacción de gases siempre ha sido un área importante de la refrigeración, pues muchos procesos científicos, procesos de ingeniería a temperaturas criogénicas (temperaturas por debajo de -100°C) y la producción industrial de muchos gases, depende de gases licuados, algunos ejemplos es la obtención de gases como Oxigeno, Nitrógeno, Helio, Hidrogeno, preparación de propulsores líquidos para cohetes, el estudio de materiales a bajas temperaturas y el estudio de la superconductividad.


CICLO DE LICUEFACCION DE GASESA temperaturas superiores al valor del punto crítico, una sustancia existe únicamente en fase gaseosa, las temperaturas críticas del Helio, Hidrogeno, Nitrógeno (tres gases licuados de uso común) son -268°C, -240°C, -147°C, por lo cual ninguna de esas sustancias existiría en forma líquida en condiciones atmosféricas, además las bajas temperaturas de esta magnitud no se obtiene con técnicas ordinarias de refrigeración.

Para conseguir estas temperaturas se analiza y se utiliza el CICLO DE LINDE-HAMPSON que se


CICLO DE LICUEFACCION DE GASES

CICLO DE LINDE-HAMPSON


CICLO DE REFRIGERACION DE GAS

También es conocido como el Ciclo inverso de Brayton o también conocido como Ciclo inverso Joule o Ciclo inverso Froude

Ciclo de Brayton Es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas.

Este ciclo de refrigeración de gas se desvía del ciclo de Carnot invertido en que los procesos de transferencia de calor no son isotérmicos si no isobáricos, de hecho durante la transferencia de calor la temperatura varia considerablemente.


Esta diferencia se deduce a partir del esquema y su diagrama T-S Ciclo inverso de Brayton


SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCION

Esta es otra forma de refrigeración que tiene un atractivo económico cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100°C a 200°C, es la Refrigeración por absorción.

Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte.

El sistema más utilizado es el sistema de amoniaco-agua donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2o) es el medio de transporte.

Las maquinas que se utilizaron a partir de este principio son, para fabricar hielo y conservar alimentos.


SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCIONSi observamos el esquema y el diagrama T-S para un sistema de absorción por amoniaco.


SISTEMAS TERMOLECTRICOS DE GENERACION DE POTENCIA Y REFRIGERACION

Todos los sistemas estudiados hasta el momento requieren partes móviles, componentes voluminosos y complejos. Y existe hoy en día un sistema más sencillo el cual no tiene tantos componentes. Este consiste en emplear energía eléctrica de maneara más directa para producir enfriamiento sin involucrar ningún refrigerante ni partes móviles.

Este sistema se considera refrigeración termoeléctrica y parte del efecto SEEBECK pero como este no era experto en termodinámica al invertir la dirección del flujo electrones, aplicando un voltaje externo en dirección contraria hubiera creado el efecto de refrigeración. El cual si fue descubierto por PELTIER y se denomina efecto Peltier y constituye la base de la refrigeración termo eléctrica.


SISTEMAS TERMOLECTRICOS DE GENERACION DE POTENCIA Y REFRIGERACION

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