Unidad 2 Ciclo Inverso de Carnot
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Unidad 2 Ciclo invertido
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Unidad 2 Ciclo invertido
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Unidad 2:
Ciclo invertido de Carnot
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INTRODUCCION
Un sistema de refrigeracin se utiliza para mantener unaregin del espacio a una temperatura inferior a la del
ambiente.
El fluido de trabajo utilizado en el sistema puede permaneceren una sola fase (refrigeracin por gas) o puede cambiar de
fase (refrigeracin por compresin de vapor).
La refrigeracin suele asociarse a la conservacin de losalimentos y al acondicionamiento de aire de edificios. Las
bombas de calor, es capaz tanto de enfriar como de calentar
con la misma instalacin, utilizndose popularmente en
edificios residenciales y comerciales.
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Mquinas Frigorficas (Refrigeradores)
DEFINICION:
Son dispositivos cclicos. El fluido de trabajo utilizado en elciclo de refrigeracin se denomina refrigerante. El ciclo de
refrigeracin que se utiliza con ms frecuencia es el ciclo de
refrigeracin por compresin de vapor.
Estos dispositivos estn provistos de cuatro componenteprincipales: un compresor, un condensador, una vlvula de
expansin y un evaporador que conforman el ciclo
termodinmico por los cuales circula el fluido de trabajo
(refrigerante).
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Mquinas Frigorficas (Refrigeradores)
Elementos Principales de las Maquinas Frigorficas:
Compresor: El refrigerante entra como vapor saturado y secomprime a la presin del condensador. Incrementa la presin del
fluido para que pueda condensarse a la presin del condensador y
circular por el sistema
Condensador: El refrigerante sale del compresor a unatemperatura relativamente alta se enfran y condensa conforme fluye
por el serpentn liberando calor hacia el medio exterior.
Vlvula: El refrigerante sale del condensador y entra a la vlvuladonde su presin y su temperatura desciende drsticamente, debido
a la estrangulacin.
Evaporador: El refrigerante entra al evaporador donde absorbecalor del espacio refrigerado evaporndose y luego repetir el proceso.
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Mquinas Frigorficas (Refrigeradores)
REFRIGERADORBOMBA DE CALOR
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REFRIGERANTES
Las dos temperaturas elegidas para los procesos de evaporacin ycondensacin determinan las presiones de funcionamiento del ciclopara un refrigerante dado. La eleccin de un refrigerante dependeen parte de la relacin presin-temperatura de saturacin en elintervalo de inters.
Al comienzo los sistemas de refrigeracin utilizaban sustanciasqumicas como el dixido de azufre, amoniaco y ter etlico, estoseran refrigerantes altamente txicos, los cuales al producirse fugaspodan causar desenlaces fatales.
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Por lo que llevo a partir de los aos 30 al desarrollo y utilizacin desustancias denominadas compuestos clorofluorocarbonatos (CFC). Losms importantes son R-11, R-12, R-22 Y R-502. Los CFC se handescubierto que destruyen la capa de ozono, a partir de los aos 80comenzaron los estudios por utilizar un refrigerante menoscontaminante.
El cual llevo al desarrollo del R-134a el cual no es agresivo con elambiente porque sus molculas no contienen cloro. El problema deutilizar nuevos refrigerantes en un sistema es el hecho de puede quesea necesario el rediseo de los compresores.
REFRIGERANTES
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Refrigerante ideal
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REFRIGERANTESLa siguiente tabla proporciona las siglas o formas abreviadas de losnombres de muchos fluidos refrigerantes usados en la actualidad
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Aplicaciones
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Aplicaciones
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Mquinas Frigorficas (Refrigeradores)
Eficiencia o Desempeo:
COPR
COPBC
Capacidad de enfriamiento:
Es la tasa de calor extrado del espacio refrigerado ( ), se expresa
a menudo en toneladas de refrigeracin. Una tonelada de
refrigerante es equivalente a 211 KJ/min o 200 BTU/min.
ENTRANETOW
QL
TRABAJO
TOENFRIAMIENDEEFECTO
REQUERIDAENTRADA
DESEADASALIDA
,
ENTRANETOW
QH
TRABAJO
NTOCALENTAMIEDEEFECTO
REQUERIDAENTRADA
DESEADASALIDA
,
evapQ
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Invertido de Carnot:
El ciclo reversible ms eficiente es el ciclo de Carnot y puesto que es un
ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de carnot
pueden invertirse. Por lo que se invertirn las direcciones de los procesos de
transferencia de calor y trabajo. Dando como resultado el ciclo invertido de
carnot.
Procesos que comprende el ciclo invertido de carnot:
Proceso 1-2: El refrigerante absorbe calor isotermicamente de una fuente a
baja temperatura a TL en la cantidad QL.
Proceso 2-3: Se comprime isentropicamente hasta el estado 3 (la
temperatura se eleva hasta TH).
Proceso 3-4: Rechazo de calor isotermicamente en un sumidero de alta
temperatura a TH en la cantidad QH.
Proceso 4-1: Se expande isentropicamente hasta el estado 1 (la
temperatura desciende hasta TL).
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Ciclos de Refrigeracin:
MAQUINA DE
REFRIGERACION DE
CARNOT
DIAGRAMA
TEMPERATURA ENTROPIA DE CARNOT
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Ciclos de Refrigeracin:
Coeficiente de Desempeo de Carnot:
El coeficiente de desempeo de los refrigeradores y las bombas de calor se
expresan en trminos de la temperatura:
1
1
TL
THCOP carnotR
TH
TLCOP carnotBC
1
1
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
El ciclo de Carnot maneja situaciones imprcticas asociadas a algunos de
sus procesos, las cuales pudiesen eliminarse si se evapora por completo el
refrigerante antes que se comprima.
Es decir:
Mantener los procesos de suministro y rechazo de calor a temperaturaconstante.
Para el proceso de compresin deberan intervenir solamente la fase devapor.
La turbina se sustituye por un dispositivo de estrangulamiento, ya que esms factible su utilizacin por sus bajos costos y su rgimen de
mantenimiento (casi nulo).
El ciclo que funciona bajo estas caractersticas se le conoce como el ciclo de
refrigeracin por compresin de vapor.
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
Procesos que experimenta el fluido en un ciclo ideal de refrigeracin por
compresin de vapor:
Proceso 1-2: Compresin isentrpica en un compresor.
Proceso 2-3: Rechazo de calor a presin constante en el condensador.
Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansin.
Proceso 4-1: Absorcin de calor a presin constante en el evaporador.
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
ESQUEMA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION
POR COMPRESION DE VAPOR
DIAGRAMA TEMPERATURA - ENTROPIA
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
DIAGRAMA PRESION - ENTALPIA
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
Los componentes asociados con el ciclo de refrigeracin por compresin de
vapor son dispositivos de flujo estable. Los cambios en la ec y ep del
refrigerante son despreciables, entonces:
El Balance de energa se Plantea:
(qentrada qsalida) + (wentrada wsalida) = he hi
COP Refrigeradores y Bombas de Calor para el ciclo de refrigeracin
por compresin de vapor:
12
41
, hh
hh
w
q
w
qCOP
C
evap
ENTRADANETO
LR
12
32
, hh
hh
W
q
w
qCOP
C
evap
ENTRADANETO
HBC
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Ciclos de Refrigeracin:
Ciclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
Capacidad de Refrigeracin:
)( 41 hhmQevap
EJEMPLO DE UN REFRIGERADOR
DOMESTICO COMUN
UNIDAD EXTERIOR DE UN ACONDICIONADOR DE
AIRE POR COMPRESION DE VAPOR (BOMBA DE
CALOR) QUE MUESTRA EL COMPRESOR Y EL
CONDENSADOR
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CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR
Un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor difiere de uno ideal devarias maneras, debido principalmente a las irreversibilidades que suceden envarios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la friccin delfluido (que provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde losalrededores.
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Ciclo Real de Refrigeracin por Compresin de Vapor:
Las Irreversibilidades en las corrientes de fluidos que atraviesan al compresor
conducen a un aumento de la temperatura del fluido durante el proceso
adiabtico. Este efecto se acompaa tambin de un aumento en la temperatura
final respecto a la que se alcanzara en el caso ideal.
Para los casos Reales es mejor trabajar en las siguientes condiciones:
El refrigerante es sobrecalentado antes de entrar al compresor de forma deasegurar vapor al compresor.
El refrigerante condensado es subenfriado, por lo difcil de trabajar en lacondicin de saturacin adems de reducir el efecto refrigerante.
El compresor no es isentrpico por lo que puede haber un aumento odisminucin de entropa.
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Ciclos de Refrigeracin
Ciclo de Refrigeracin en Cascada:
Se utilizan en aplicaciones industriales en las que se necesitan temperaturas
moderadamente bajas (comprendidas en el intervalo de -25 a -75 C (-10 a -100
F)). Un ciclo en cascada es sencillamente un conjunto de ciclos de compresin
de vapor en serie, tal que el condensador de un ciclo de temperatura inferior
proporcione calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor.
Caractersticas:
Es como tener ciclos de refrigeracin sencillos operando en serie.
Se utiliza cuando se requiere temperaturas relativamente bajas y un grandiferencial de temperatura.
El calor que desprende el condensador del ciclo inferior es igual al calor queabsorbe el calor del ciclo superior.
El refrigerante del ciclo inferior y superior, pueden ser distintos, ya que nuncase mezclan.
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Ciclos de Refrigeracin:Ciclo de Refrigeracin en Cascada
ESQUEMA DE UN CICLO DE
REFRIGERACION EN
CASCADA
DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA DE UN CICLO DE
REFRIGERACION EN CASCADA
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Ciclos de Refrigeracin:
Sistema de Refrigeracin por Compresin de Mltiples Etapas:
El sistema de Refrigeracin de Mltiples Etapas puede verse como unsistema de Refrigeracin en Cascada, en donde se sustituye el
intercambiador entre las etapas por una cmara de mezcla o de evaporacin
que mejora la transferencia de calor, entre las 2 etapas.
Necesariamente se debe usar un mismo refrigerante en ambas etapas.
El proceso de compresin se asemeja a una compresin de 2 etapas coninterenfriamiento. Lo cual disminuye el requerimiento de trabajo.
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Ciclos de Refrigeracin:Sistema de Refrigeracin por Compresin de Mltiples Etapas:
ESQUEMA DE UN CICLO DE
REFRIGERACION DE
MULTIPLES ETAPAS
DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA DE UN CICLO DE
MULTIPLES ETAPAS
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Ciclos de Refrigeracin
Otros Sistemas de Refrigeracin:
Licuacin de Gases:
La licuefaccin de gases siempre es un rea importante de la refrigeracin,
muchos procesos cientficos y de ingeniera a temperaturas criognicas
(temperaturas por debajo de -100 C) dependen de gases licuados. Algunos
ejemplos son la separacin del oxigeno y del nitrgeno del aire, la preparacin
de propulsores lquidos para cohetes, el estudio de propiedades de materiales a
bajas temperaturas, y el estudio de algunos fenmenos interesantes como la
superconductividad.
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Ciclos de Refrigeracin:
Otros Sistemas de Refrigeracin:
Ciclos de Refrigeracin de Gas:
La expansin adiabtica de los gases puede utilizarse para producir un efecto de
refrigeracin. De la manera ms simple, se consigue utilizando un ciclo Brayton
inverso. La particularidad de este ciclo es que el refrigerante se mantiene
durante todo el proceso en estado gaseoso a diferentes temperaturas y
presiones.
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Ciclos de Refrigeracin:
Otros Sistemas de Refrigeracin:
Sistema de Refrigeracin por Absorcin:
Tiene atractivo econmica cuando se tiene una fuente de energa trmica barata
a una temperatura de 100 a 200 c, los sistemas de refrigeracin por absorcin
implican la absorcin de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema
de absorcin mas utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco
sirve como refrigerante y el agua es el medio de transporte. Otros sistemas de
refrigeracin por absorcin son agua-bromuro de litio y el agua-cloruro de litio,
en los que el agua sirve como refrigerante. Los dos ltimos sistemas se limitan a
aplicaciones como el acondicionamiento de aire, en las que la temperatura
mnima queda por arriba del punto de congelacin del agua.
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EJEMPLOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACION
SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
