REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

Ciclos de Refrigeracin por Compresin

|Ministerio del Poder Popular Para la Educacin UniversitariaINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DE PUERTO CABELLO

REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIAPROGRAMA NACIONAL DE FORMACIN INGENIERA MECNICAINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DE PUERTO CABELLO

Puerto Cabello, Julio 2014

Ciclos de Refrigeracin por Compresin

PARTICIPANTES:TSU Carrera, Hamberlys

TSU Ferrer, Barbara

TSU Pia, Guillermo

TSU Torres, Ewduard

FACILITADOR:Ing. Pez, Serge

|Ministerio del Poder Popular Para la Educacin UniversitariaINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DE PUERTO CABELLO

REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIAPROGRAMA NACIONAL DE FORMACIN INGENIERA MECNICAINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DE PUERTO CABELLO

Puerto Cabello, Julio 2014CONTENIDO

Introduccin

Ciclos de refrigeracin1

Ciclo de Carton Inverso

Ciclo ideal de refrigeracin por compresin a vapor

Ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor

Sistemas innovadores de refrigeracin por compresin de vapor

Sistemas de refrigeracin en cascada

Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas

Ejercicios resueltos ciclos de refrigeracin por compresin

El ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor

El ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor

Un ciclo de refrigeracin en cascada de dos etapas

Un ciclo de refrigeracin de dos etapas con una cmara de vaporizacin instantnea.

Conclusin27

Referencias28

IIIINTRODUCCIN

En el ciclo de refrigeracin los principales componentes del sistema son el compresor, el intercambiador de calor o condensador, la vlvula de estrangulamiento, y el evaporador. Generalmente, cuando hablamos de refrigeracin lo asociamos bsicamente, al acondicionamiento de aire de edificios, vehculos, y a la conservacin de los alimentos. A pesar de la asociacin de la refrigeracin a estos simples campos, existen muchas reas donde la refrigeracin es aplicable como el empleo de combustibles lquidos para la propulsin de cohetes, de oxgeno lquido para acero, de nitrgeno lquido para investigacin a baja temperatura (criognica) y tcnicas quirrgicas, de gas natural lquido para su transporte intercontinental en barcos, entre otros. A dems, por experiencia sabemos que el calor mana en direccin de las temperaturas decrecientes, esto ocurre en la naturaleza sin el uso de dispositivos, de un rea de alta temperatura a una de baja. En un proceso inverso, se requiere el uso de dispositivos para lograr transferir de un rea de temperatura baja a un rea de alta temperatura, estos dispositivos son cclicos y son llamados refrigeradores y ciertos fluidos de trabajo usados en los ciclos de refrigeracin llamados refrigerante. En este trabajo abordaremos el ciclo de refrigeracin ms empleado, el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor, en su forma ideal y real, analizaremos los procesos por los cual estos se componen, los diagramas esquemticos (T-s y P-h), as como analizaremos algunas modificaciones innovadoras realizadas al ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.

CAPITULO I

CICLOS DE REFRIGERACIN

1.1. Aspectos Fundamentales. De la experiencia propia sabemos que el calor fluye en la direccin de las temperaturas decrecientes; esto es, de zonas de alta temperatura a las de baja. Dicho proceso de transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin que se requiera la participacin de algn dispositivo. El proceso inverso, sin embargo, no se da por s solo. La transferencia de calor de una zona de temperatura baja a otra de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.Los refrigeradores son dispositivos cclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeracin se llaman refrigerantes. Un refrigerador se muestra esquemticamente en la figura 1-A. En este caso, QL es la magnitud del calor extrado del espacio refrigerado a la temperatura TL; QH es la magnitud del calor rechazado hacia el espacio caliente a temperatura TH, y Wneto, entrada es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analiz, QL y QH 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).El objetivo de un refrigerador es extraer calor (QL) del medio fro; el objetivo de una bomba de calor (QH) es suministrar calor a un medio caliente.El desempeo de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en trminos del coeficiente de desempeo (COP), por sus siglas en ingls (coefficient of performance), definido como: (1.1)

(1.2)

Figura 1-A Esquema de sistema de refrigeracin y Sistema de Bomba de calor.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin.

Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calor pueden ser mayores a uno. Debido a que:(1.3)

Para valores fijos de QL y QH. Esta relacin implica que COPBC > 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 lquida a 0 C (32 F) en hielo a 0C (32 F) en 24 horas.

1.2. Ciclo de Carton Inverso.Para realizar el estudio de ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, es necesario considerar distintos aspectos tratados anteriormente en termodinmica relacionados con el ciclo de Carton 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.Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo tambin se invertirn las direcciones de cualquier interaccin de calor y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en direccin contraria a las manecillas del reloj en el diagrama T-s, que se llama el ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido como un refrigerador de Carnot o una 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.

Figura 2-A Esquema de un refrigerador de Carnot y diagrama T-s del ciclo invertido de Carnot.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin.

Los coeficientes de desempeo de los refrigeradores y de las bombas de calor de Carnot se expresan en trminos de la temperatura comoadems,(1.4)(1.3)

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-A)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.

CAPITULO II

CICLO IDEAL DE REFRIGERACION POR COMPRESION A VAPOR

2.1. Generalidades.Los aspectos imprcticos asociados con el ciclo invertido de Carnot pueden ser eliminados al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima, y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una vlvula de expansin o un tubo capilar. El ciclo que resulta se denomina ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor, y se muestra de manera esquemtica y en un diagrama T-s en la figura (1-B). El ciclo de refrigeracin por compresin de vapor es el que ms se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos:1-2 Compresin isentrpica en un compresor2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador

Figura 1-B Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin. Observe que a diferencia de los ciclos ideales analizados antes, el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor no es un ciclo internamente reversible puesto que incluye un proceso irreversible (estrangulamiento).Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energa cintica y potencial del refrigerante suelen ser pequeos en relacin con los trminos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuacin de energa de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a:(2.1)

El condensador y el evaporador no implican ningn trabajo y el compresor puede calcularse como adiabtico. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor pueden expresarse como:

y(2.3)(2.2)

Otro diagrama utilizado con frecuencia en el anlisis de los ciclos de refrigeracin por compresin de vapor es el diagrama P-h, como se muestra en la figura (2-B). En este diagrama, tres de los cuatro procesos aparecen como lneas rectas, y la transferencia de calor, en el condensador y el evaporador, es proporcional a la longitud de la curva del proceso correspondiente.

Figura 2-B El diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin.

2.2. Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeracin.Evaporador. Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra al refrigerante (ver figura 1-B), 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 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.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 REFRIGERACINPOR COMPRESIN DE VAPOR

2.3. Generalidades.Un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la friccin del fluido (causa cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s de un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor se muestra en la figura (2-C).

Figura 2-C Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin.

2.4. Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresin en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, por ende, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real incluir efectos de friccin, los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor, lo 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:(2.4)

2.5. 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 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=vpd.

2.6. Influencia de las irreversibilidades en el condensador.En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como lquido saturado a la presin de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta cada de presin en el condensador, as como en las lneas que lo conectan con el compresor y la vlvula de estrangulamiento. Adems, no es fcil ejecutar el proceso de condensacin con tal precisin como para que el refrigerante sea un lquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la vlvula de estrangulamiento antes de que se condense por completo. En consecuencia, el refrigerante se subenfra un poco antes de que entre a la vlvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto, se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpa inferior y por ello puede absorber ms calor del espacio refrigerado. La vlvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la cada de presin en la lnea de conexin es pequea.

CAPITULLO III

SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACIN PORCOMPRESIN DE VAPOR

El ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor estudiado antes, es el ms utilizado y el ms adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeracin. Los sistemas de refrigeracin por compresin de vapor ordinarios son simples, econmicos, confiables y prcticamente libres de mantenimiento. Sin embargo, en grandes aplicaciones industriales, la eficiencia es lo que ms importa. Tambin en algunas aplicaciones, el ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor es inadecuado y necesita modificarse.Ahora analizaremos algunas de esas modificaciones y refinamientos.

3.1. Sistemas de refrigeracin en cascada.El ciclo en cascada es un conjunto de ciclos de compresin de vapor simple en serie, de manera que el condensador de un ciclo de temperatura inferior, proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor. El refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presin (ver figura 3-A).

Figura 3-A Un sistema de refrigeracin en cascada de dos etapas con el mismo refrigerante en ambas etapas.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicinLos dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior (ciclo B). Suponiendo que el intercambiador de calor est bien aislado y que las energas cintica y potencial 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. De modo que la relacin de los flujos msicos en cada ciclo debe sery(3.2)(3.1)

Los refrigerantes en ambos ciclos se suponen iguales. No obstante, esto no es necesario ya que no se produce mezcla en el intercambiador de calor. Por lo tanto, los refrigerantes con caractersticas ms deseables pueden utilizarse en cada ciclo. En este caso, habra una curva de saturacin independiente para cada fluido y el diagrama T-s resultara distinto para uno de los ciclos.A partir del diagrama T-s y de la figura (3-A), que el trabajo del compresor disminuye y que la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada. Por lo tanto, el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeracin. Algunos sistemas de refrigeracin usan tres o cuatro etapas en cascada.

3.2. Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas.Si un fluido usado por todo el sistema de refrigeracin en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por una cmara de mezclado (llamada cmara de vaporizacin instantnea), puesto que tiene mejores caractersticas de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas. Un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas se muestra en la figura (3-B).

Figura 3-B Un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas con una cmara de vaporizacin instantnea.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin

El proceso de compresin en este sistema es similar a una compresin de dos etapas con interenfriamiento, y el trabajo del compresor disminuye. Debe tenerse cuidado en las interpretaciones de las reas en el diagrama T-s en este caso, dado que los flujos msicos son diferentes en las distintas fases del ciclo.

CAPITULO IV

EJERCICIOS RESUELTOS CICLOS DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN

4.1. El ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor

En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo, y opera en un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo msico del refrigerante es de 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminacin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la tasa de rechazo de calor al ambiente y c) el COP del refrigerador.Solucin Un refrigerador opera en un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor entre dos lmites de presin especificados. Se determinarn la tasa de refrigeracin, la entrada de potencia, la tasa de rechazo de calor y el COP.Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes.Anlisis El ciclo de refrigeracin se representa en un diagrama T-s en la figura (4-A). Note que ste es un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor, y por ello el compresor es isentrpico mientras que el refrigerante deja al condensador como un lquido saturado y entra al compresor como vapor saturado. A partir de las tablas del refrigerante 134a, las entalpas del refrigerante en los cuatro estados se determinan como sigue:

Figura 4-A Diagrama T-s del ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vaporFuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin

a) La tasa de eliminacin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor se determinan por sus definiciones:

y

b) La tasa de rechazo de calor del refrigerante al ambiente es

Tambien puede ser determinado de

c) El coeficiente de desempeo del refrigerador es

Es decir, este refrigerador elimina 4 unidades de energa trmica del espacio refrigerado por cada unidad de energa elctrica que consume. Comentario Sera interesante observar lo que ocurre cuando la vlvula de estrangulamiento es sustituida por una turbina isentrpica. La entalpa en el estado 4s (la salida de la turbina con) es , y la turbina producida de potencia. Esto disminuir la entrada de potencia en el refrigerador de a y aumentara la tasa de remocin de calor del espacio refrigerado, desde hasta . Como resultado el COP del refrigerador aumentara de a , un incremento de %.

4.2. El ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor

Al compresor de un refrigerador entra refrigerante 134a como vapor sobrecalentado a 0.14 MPa y 10 C a una tasa de 0.05 kg/s, y sale a 0.8 MPa y 50 C. El refrigerante se enfra en el condensador a 26 C y 0.72 MPa, y se estrangula a 0.15 MPa. Descarte toda posibilidad de transferencia de calor y cada de presin en las lneas de conexin entre los componentes, y determine a) la tasa de remocin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la eficiencia isentrpica del compresor y c) el coeficiente de desempeo del refrigerador.Solucin Se examina un refrigerador que opera en un ciclo de compresin de vapor. Se determinarn la tasa de refrigeracin, la entrada de potencia, la eficiencia del compresor y el COP.Suposiciones. 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes.Anlisis. El ciclo de refrigeracin se muestra en un diagrama T-s en la figura (4-B). Note que el refrigerante sale del condensador como un lquido comprimido y entra al compresor como vapor sobrecalentado. Las entalpas del refrigerante en varios estados se determinan a partir de las tablas del refrigerante como

Figura 4-B Diagrama T-s para el ejemploFuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin

a) La tasa de remocin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor se determinan por sus definiciones:

y

b) La eficiencia isentrpica del compresor se obtiene de

donde la entalpa en el estado es . Por lo tanto,

c) El coeficiente de desempeo del refrigerador es

Comentario. Este problema es idntico al que se trabaj en el ejercicio 4.1, excepto porque el refrigerante se sobrecalienta un poco a la entrada del compresor y se subenfra a la salida del condensador. Adems, el compresor no es isentrpico. Como resultado, la tasa de eliminacin de calor del espacio refrigerado aumenta (en 10.4 por ciento), pero la entrada de potencia al compresor aumenta an ms (en 11.6 por ciento). Por consiguiente, el COP del refrigerador disminuye de 3.97 a 3.93.

4.3. Un ciclo de refrigeracin en cascada de dos etapas

Considere un sistema de refrigeracin en cascada de dos etapas que opera entre los lmites de presin de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor con refrigerante 134a como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede en un intercambiador de calor adiabtico de contraflujo donde ambos flujos entran aproximadamente a 0.32 MPa. (En la prctica, el fluido de trabajo del ciclo inferior estar a una presin y una temperatura ms altas en el intercambiador de calor, para una transferencia de calor efectiva.) Si el flujo msico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 kg/s, determine a) el flujo msico del refrigerante en el ciclo inferior, b) la tasa de remocin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, as como c) el coeficiente de desempeo de este refrigerador en cascada.Solucin. Se considera un sistema de refrigeracin en cascada de dos etapas que opera entre los lmites de presin especificados. Se determinarn el flujo msico del refrigerante en el ciclo inferior, la tasa de refrigeracin, la entrada de potencia y el COP.Suposiciones. 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son despreciables. 3 El intercambiador de calor es adiabtico.Propiedades. Las entalpas del refrigerante en los ocho estados se determinan de las tablas del refrigerante y se indican en el diagrama T-s.Anlisis. El ciclo de refrigeracin se muestra en un diagrama T-s en la figura (4-B). El ciclo superior est marcado como A y el inferior como ciclo B. Para ambos ciclos, el refrigerante sale del condensador como un lquido saturado y entra al compresor como un vapor saturado.

Figura 4-C Diagrama T-s del ciclo de refrigeracin en cascada.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin

a) El flujo msico del refrigerante en el ciclo inferior se encuentra a partir del balance de energa de flujo estacionario en el intercambiador de calor,

b) La tasa de calor extrado por el ciclo en cascada es la tasa de absorcin de calor en el evaporador de la etapa inferior. La entrada de potencia en un ciclo en cascada es la suma de las entradas de potencia en todos los compresores:

c) El COP de un sistema de refrigeracin es la relacin entre la carga de refrigeracin y la entrada neta de potencia:

Comentario. Este problema fue examinado en el ejercicio de ciclo ideal de refrigeracin por compresin a vapor (ejercicio 4.1) para un sistema de refrigeracin de una sola etapa. Observe que el COP del sistema de refrigeracin aumenta de 3.97 a 4.46 como resultado de las etapas en cascada. El COP de un sistema se incrementa an ms si aumenta ms el nmero de etapas en cascada.

4.4. Un ciclo de refrigeracin de dos etapas con una cmara de vaporizacin instantnea.

Considere un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas que opera en los lmites de presin de 0.8 y 0.14 MPa. El fluido de trabajo es el refrigerante 134a. El refrigerante sale del condensador como un lquido saturado y es estrangulado hacia una cmara de vaporizacin instantnea que opera a 0.32 MPa. Parte del refrigerante se evapora durante este proceso de vaporizacin instantnea, y este vapor se mezcla con el refrigerante que sale del compresor de baja presin. La mezcla se comprime luego hasta la presin delcondensador mediante el compresor de alta presin. El lquido en la cmara de vaporizacin instantnea se estrangula hasta la presin del evaporador y enfra el espacio refrigerado cuando se evapora en el evaporador. Suponiendo que el refrigerante sale del evaporador como un vapor saturado y que ambos compresores son isentrpicos, determine a) la fraccin del refrigerante que se evapora cuando se estrangula hacia la cmara de vaporizacin instantnea, b) la cantidad de calor extrado del espacio refrigerado y el trabajo del compresor por unidad de masa del refrigerante que circula a travs del condensador y c)el coeficiente de desempeo.Solucin. Se considera un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas que opera en los lmites de presin especificados. Se determinarn la fraccin del refrigerante que se evapora en la cmara de vaporizacin instantnea, el calor extrado, la entrada de trabajo por unidad de masa y el COP.Suposiciones. 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son despreciables. 3 La cmara de vaporizacin instantnea es adiabtica.Propiedades. Las entalpas del refrigerante en diversos estados se determinan a partir de las tablas de refrigerante y se indican sobre el diagrama T-s.Anlisis. El ciclo de refrigeracin se muestra en un diagrama T-s en la figura 11-15. Observe que el refrigerante deja al condensador como lquido saturado y entra al compresor de presin baja como vapor saturado.

Figura 4-D Diagrama T-s del ciclo de refrigeracin de dos etapas.Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, Sptima edicin

a) La fraccin del refrigerante que se evapora cuando se estrangula en direccin a la cmara de vaporizacin instantnea es simplemente la calidad en el estado 6, esto es

b) La cantidad de calor removido del espacio refrigerado y la entrada de trabajo del compresor por unidad de masa de refrigerante que circula a travs del condensador son y,

La entalpa en el estado 9 se determina a partir del balance de energa de la cmara de mezclado,

Adems, De modo que la entalpia en el estado 4 (0.8 MPa, S4=S9) es h4=274.48KJ/Kg. Al sustituir

c) El coeficiente de desempeo se determina por

Comentario Este problema se resolvi en el ejercicio 4.1 para un sistema de refrigeracin de una sola etapa (COP = 3.97) y en el ejercicio 4.3 para un sistema de refrigeracin en cascada de dos etapas (COP = 4.46). Observe que el COP de un sistema de refrigeracin aumenta de manera considerable respecto de la compresin de una sola etapa, pero no cambia en lo que se refiere a la compresin en cascada de dos etapas.

CONCLUSIN

Al describir los diferentes ciclos de refrigeracin por compresin por vapor simple y sus modificaciones observamos el desempeo de los refrigeradores el cual se expresa en trminos de coeficiente de operacin , notndose que se logran temperaturas muy bajas al operar dos o ms sistemas de compresin en seria, llamndose etapas en cascadas. El COP de un sistema de refrigeracin en serie tambin aumenta con el nmero de etapas en cascadas. De la misma manera se puede mejorar el rendimiento de un sistema de refrigeracin por compresin a vapor mediante el uso de compresin de etapas mltiples con enfriamiento regenerativo.A dems, el ciclo de refrigeracin por compresin es notable que sea uno de los procesos termodinmicos principales usados en el campo del consumidor e industrial, ejemplo de ellos son: equipos de refrigeracin, aire acondicionado, refrigerador, nevera o frigorfico, enfriador de agua, fbrica de hielo, aire acondicionado automotor, en otros que observamos cotidianamente debido a que la refrigeracin es la transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una de temperatura superior.

REFERENCIAS

Yunus A. engel., Michael A. Boles(2012). Termodinmica. Mxico., Edit. McGrawHillBlog Termoaplicadaunefem(2009), Tema 2, Ciclos de Refirgeracion por Compresion a Vapor. http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-refrigeracion1.pdf

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