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Ciclos de Refrigeracion

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by

David Olmos

on 16 May 2014

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Transcript of Ciclos de Refrigeracion

Ciclos de Refrigeracion
Refrigeradores
Los coeficientes de desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor de Carnot se expresan en términos de la temperatura como:
Coeficiente de desempeño COP
(coeffiicient of performance)



1 tonelada de refrigeración es :
211kj/min
200BTU/min
200m2 , 3 ton

Desempeño
CICLO CARNOT
1.-Toma el calor del medio a enfriar por medio de la transferencia de calor a los fluidos refrigerantes.
2.-Entra en un ciclo de enfriamiento.
3.- Libera el calor al ambiente
4.- Atraves del ciclo de enfriamiento el fluido ya frío regresa al medio a enfriar .

¿Como funcionan los refrigeradores ?
Ciclos ideal de Refrigeración por compresión de vapor
tema 3
En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo en la práctica no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión
Análisis de la segunda de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
tema 5
Considerando que el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, trabaja entre un medio de baja temperatura a TL (Low Temperature) y un medio de alta temperatura a TH (High Temperature ). El COP (Coefficent Of Perfomance) máximo de un ciclo de refrigeración que opera entre los limites de temperatura de TL y TH . Aunque los ciclo de refrigeración reales no son tan eficientes como los ideales como el ciclo de Carnot, debido a sus irreversibilidades que implica.
Pero en conclusión podemos decir que el COP es irreversiblemente proporcional a la diferencia de temperaturas TL-TH es igualmente valida para ciclos de refrigeración reales.

El objetivo de un análisis de la segunda ley de refrigeración es determinar los componentes que se pueden beneficiar al máximo por mejoras.
Estos se lleva acabo identificando las ubicaciones con mayor destrucción de energía y los componentes con la menor energía o eficiencia de la segunda ley.

Considerando que el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que trabaja entre un medio de baja temperatura a TL (Temperature Low) y un medio de alta temperatura a TH (Temperature High). El COP (Coefficent Of Perfomance) máximo de un ciclo de refrigeración que opera entre los limites de temperatura de TL y TH . La destrucción de energía en un componente se puede determinar directamente a partir de un balance de energía o indirectamente, calculando primero la generación de entropía y usando la relación:
Donde T0 es la temperatura ambiental (el estado muerto). Para un refrigerador, T0
es usualmente la temperatura del medio a alta temperatura TH (para una bomba térmica, es TL ).

El fluido que lleban los refrigeradores se le llama refrigerante . Ejemplos :
Cloroflurocarbonato
Amoniaco
Hidrocarburos

Seleccion del refrigerante adecuado
Eter Etilico 1850
Amoniaco
Dioxido de carbono
Cloruro Metilico
Dioxido de azufre
Butano
Historia y mejora del COP
Se usan para calentar casas aunque es mas costoso que otros sistemas a la larga ahorra dinero
Bombas de calor
diferencia de 5 a 10 °C
tener una presión mayor en el sistema a la atmosférica para no tener filtraciones de aire

¿como seleccionar el adecuado?
sistemas de refrigeración en cascada
sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas
sistemas de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor
licuefacción de gases
SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
tener dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie se denominan ciclos de refrigeración en cascada
Refrigeración en cascada
En el sistema en cascada ilustrado 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 características más deseables pueden utilizarse en cada ciclo. En este caso, habría una curva de saturación independiente para cada fluido y el diagrama T-s resultaría distinto para uno de los ciclos. Además, en los sistemas reales de refrigeración en cascada, los dos ciclos se traslaparían un poco debido a que se requiere una diferencia de temperatura entre los dos fluidos para que suceda alguna transferencia de calor.
Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por una cámara de mezclado (llamada cámara de vaporización instantánea), puesto que tiene mejores características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas.
Refrigeración por compresión
de múltiples etapas
En este sistema, el refrigerante líquido se expande en la primera válvula de expansión hasta la presión de la cámara de vaporización instantánea, que es la misma que la presión entre las etapas del compresor. Parte del líquido se evapora durante este proceso. Este vapor saturado (estado 3) se mezcla con el vapor sobre calentado del compresor de baja presión (estado 2), y la mezcla entra al compresor de presión alta en el estado 9. Esto es, en esencia, un proceso de regeneración. El líquido saturado (estado 7) se expande a través de la segunda válvula de expansión hacia el evaporador, donde recoge calor del espacio refrigerado.
Algunas aplicaciones requieren refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograrse utilizando una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes. Sin embargo, un sistema de esas características será voluminoso y quizá antieconómico. Un planteamiento más práctico y económico sería enviar todos los flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor, y dejar que éste maneje el proceso de compresión para el sistema completo.
Refrigeración de propósito múltiple
con un solo compresor

Por ejemplo, una unidad ordinaria de congelador-refrigerador. La mayor parte de los alimentos refrigerados tienen un alto contenido de agua y el espacio refrigerado debe mantenerse arriba del punto de congelación para evitar el congelamiento. El compartimiento del congelador, sin embargo, se mantiene a casi -18 °C. Por consiguiente, el refrigerante debe entrar al congelador a -25 °C para tener una transferencia de calor a una tasa razonable en el congelador. Si se usara una sola válvula de expansión y un evaporador, el refrigerante tendría que circular en ambos compartimientos a casi -25 °C, lo que provocaría la formación de hielo en la vecindad de los serpentines del evaporador, y la deshidratación del producto. Este problema se elimina estrangulando el refrigerante a una presión más alta (y en consecuencia, la temperatura) para su uso en el espacio refrigerado, y después estrangulándolo hasta la presión mínima cuando se utilice en el congelador. La totalidad del refrigerante que sale del compartimiento del congelador se comprime después con un solo compresor hasta la presión del condensador.


La licuefacción de gases siempre ha sido un área importante de la refrigeración, pues muchos procesos científicos y de ingeniería a temperaturas criogénicas (temperaturas por debajo de _100 °C) dependen de gases licuados. Algunos ejemplos son la separación del oxígeno y del nitrógeno del aire, la preparación de propulsores líquidos para cohetes, el estudio de propiedades de materiales a bajas temperaturas, y el estudio de algunos fenómenos interesantes como la superconductividad.
Varios ciclos, algunos complejos y otros sencillos, se utilizan con buenos resultados en la licuefacción de gases. Por ejemplo el ciclo Linde- Hampson
Licuefacción de gases
El gas de reposición se mezcla con la parte no condensada del gas del ciclo previo, y la mezcla en el estado 2 se comprime mediante un compresor de múltiples etapas hasta el estado 3. El proceso de compresión se acerca a un proceso isotérmico debido al interenfriamiento. El gas de alta presión se enfría en un enfriador posterior con un medio de enfriamiento o con un sistema de refrigeración externo independiente hasta el estado 4. El gas se enfría todavía más en un intercambiador de calor a contraflujo regenerativo por medio de una parte no condensada del gas del ciclo previo hasta el estado 5, y se estrangula hasta el estado 6, el cual es un estado de vapor húmedo. El líquido (estado 7) se colecta como el producto deseado, y el vapor (estado 8) se envía al regenerador a enfriar el gas de alta presión que se aproxima a la válvula de estrangulamiento. Por último, el gas se mezcla con gas fresco de reposición, y el ciclo se repite.
Ciclo Linde- Hampson
CICLO REAL DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR
Un ciclo de refrigeración por compresión 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 fricción del fluido (causa caídas de presión) y la trasferencia de calor hacia o desde los alrededores

En lugar de eso, es fácil diseñar el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la estrada del compresor.
Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapora por completo cuando entre al compresor, también la línea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy largar: por lo tanto la caída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la trasferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas.
El resultado del sobrecalentamiento , de la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión en el evaporador y la línea de conexión, consiste en un incremento en los requerimientos de entrada de potencia al compresor puesto que le trabajo de flujo estable es proporcional al volumen especifico.
Ciclo ideal

Por consiguiente la entropía del refrigerante puede incrementarse o disminuir durante el proceso de compresión real dependiendo del promedio de los efectos.
El proceso de compresión (de disminución) puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentropico debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente el requerimiento de entrada del trabajo son más pequeños en este caso. De ese modo, El refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresión siempre que sea práctico y económico hacerlo
.
El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende isentrópico . Sin embargo el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción los cuales incrementan la entropía y la trasferencia de calor lo que puede aumentar r o disminuir la entropía dependiendo de la dirección.
ciclo ideal
En el caso ideal se supone que el refrigerante sale del condensador como un líquido saturado a la presión de salida del compresor. En realidad es inevitable tener cierta caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el compresor y la válvula de estrangulamiento. Además, no es fácil ejecutar el proceso de condensación con tal precisión como para que el refrigerante sea liquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la válvula de estrangulamiento antes de que se condense por completo. En consecuencia el refrigerante se subenfría un poco antes de que entre a la válvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpia inferior y por ello puede absorber más calor del espacio refrigerando. La válvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la caída de presión en la línea de conexión es pequeña
.
El ciclo invertido de Carnot tiene elementos que carecen de practicidad o eficiencia, sin embargo, si evaporamos todo el refrigerante antes de comprimirlo y sustituimos la turbina con una tobera, el ciclo obtenido es el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.
Este ciclo es el que comúnmente se utiliza en los refrigeradores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor.

Los procesos que forman el ciclo completo son los siguientes:

1-Compresión isentrópica en un compresor

2-Rechazo de calor a presión constante en un condensador

3-Estrangulamiento en un dispositivo de expansión

4-Absorción de calor a presión constante en un evaporador
En un refrigerador doméstico los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como evaporador.

Los tubos serpenteantes detrás del refrigerador, donde el calor se disipa en el aire de la cocina sirven como condensador.
Estos procesos también pueden ser representados mediante un diagrama presión-entalpia, P-h, en el cual tres de los cuatro procesos son representados por líneas rectas y la transferencia de calor (en el condensador y en el evaporador) es proporcional a la longitud de la curva del proceso correspondiente.

Este ciclo a diferencia de los anteriores, no es un ciclo reversible, puesto que el estrangulamiento en la tobera es un proceso irreversible, el cual se agrega para asemejarlo más a un proceso real de refrigeración por compresión de vapor.
Naturalmente el calor fluye
en dirección a la temperatura decreciente . El proceso inverso
no es natural y requiere dispositivos llamados Refrigeradores
Necesidad de refrigerantes no toxicos
Serie R-XX de general Motors para uso domestico
familia cfc r11 y r31 1931
capa de ozono
Pueden calentar o enfriar
COP de una bomba de calor
Es un ciclo totalmente reversible que se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos.

Es un ciclo reversible, que los cuatro procesos que comprende el ciclo Carnot pueden invertirse, al hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo.

El cociente de los flujos masicos en cada ciclo esta determinado por la variación
de entalpía de cada fluido al pasar por el intercambiado de calor.
Aplicando el balance de energía el la cámara de mezcla en condiciones
adiabáticas para determinar la entalpía a la salida se tiene:


Evaporador:
El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es:
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