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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ CENTRO REGIONAL VÍCTOR LEVI SASSO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

ffge

Integrantes: 4 Caballero, Yirene

8-895-2247

González, Ana L. González, Yubrany

3-735-2378 8-933- 1443

Santamaría, Steyci 4-780- 1734

Grupo: 1IM-131 Profesor: Ing. Jimmy Chang Fecha de entrega: de Junio del 2017 HEWLETT-PACKARD [Dirección de la compañía]

I.

Síntesis (ARREGLAR ENFOCARNOS EN LA COMPRESION DE VAPOR) La refrigeración de los alimentos es una de las prioridades esenciales en nuestras vidas, ya sea para el área industrial o como para los consumidores. La Refrigeración y la Inocuidad de los alimentos tienen como objetivo mantener los alimentos en óptimas condiciones. Una de estas condiciones seria mantener la actividad de los microorganismos, las enzimas de los microorganismos y de los propios alimentos puede verse retardada, es decir se produce un retraso en la degradación de los alimentos, por lo tanto los alimentos duraran mucho más tiempo. Los microorganismos patógenos van a retardar su crecimiento y por consiguiente esto permite mantener las condiciones de seguridad de los alimentos.

El presente trabajo se plantea un problema principal donde el resultado final es el diseño de una cámara de refrigeración que será utilizada para conservar salmón durante un determinado tiempo y a una cierta temperatura. En el desarrollo del proyecto se integraron distintas actividades involucradas en el diseño de la cámara, tales como, la selección de materiales de construcción de la cámara, un balance térmico de donde se tiene la carga de calor que se debe eliminar para llegar a una temperatura planteada, igualmente se selecciona una gas refrigerante que se adapte a las condiciones del sistema para así finalmente seleccionar el equipo de refrigeración adecuado para el sistema en cuestión. Para conservar salmón a -24°C durante un tiempo determinado se requiere de un sistema de refrigeración compuesto por una unidad condensadora que cuenta con un compresor y una unidad evaporadora con el empleo de un determinado refrigerante.

El ciclo inicia cuando el refrigerante en estado gaseoso entra al compresor con baja presión y baja temperatura, se genera una fuerza que aumenta la temperatura y presión, luego pasa a un condensador a partir cuando ha recorrido 3/4 partes de este se convierte en liquido esto se convierte del líquido gracias a un ventilador el cual hace fluir el aire exterior el cual recibe el calor del refrigerante, al salir pasa a una válvula de control de flujo la misma disminuye dicha presión además la temperatura después pasa al evaporador en las 3/4 partes del recorrido alcanza su punto de saturación y vuelve a convertirse en gas. Esta evaporación ocurre cuando el flujo de la instancia le transmite calor al refrigerante gracias al ventilador del evaporador luego ese vapor se viene de nuevo al compresor y realiza de nuevo el ciclo. Como se vio tanto el compresor como el trabajo de la válvula de flujo es

aumentar y disminuir la presión del refrigerante mientras que el evaporador y condensador lo separa de un esta líquido a gaseoso y viceversa.

II.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Profundizar el análisis del ciclo de refrigeración compresión de vapor, que tan eficiente es este ciclo y su manejo en la conservación de alimentos en comparación con otros ciclos bajo el mismo propósito. OBJETIVOS ESPECÍFICOS a) Encontrar todo los artículos referentes a nuestro tema a desarrollar. b) Comparar los distintos artículos en relación a la eficiencia del ciclo de refrigeración por compresión de vapor e introducir su diferencia con el ciclo de absorción de vapor. c) Discernir en la aplicación que tienen cada uno de los ciclos de refrigeración a estudiarse en estos artículos. d) Conocer las innovaciones que surgieron en el análisis para mejora del buen funcionamiento de un sistema (ciclo de refrigeración compresión de vapor y por absorción de vapor). e) Conocer los diferentes puntos de congelación de algunos alimentos y su vida útil. f) Visualizar de manera presencial el ciclo de refrigeración compresión de vapor de EMPRESAS MELO C.A. (Juan Díaz, PANAMÁ), como también incluir en el análisis no presencial de una empresa Internacional ambas con el mismo fin de conservar los alimentos.

INDICE I. II.

Síntesis Objetivos Objetivo General Objetivos específicos

1. Introducción 2. Antecedentes 2.1 Como empezó ciclo de refrigeración por compresión de vapor 8 3. Marco teórico 3 3.2 Refrigeración y bombas de calor 3.3 El ciclo invertido de Carnot 3.4 El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 3.5 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor 3.6 Análisis de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor 3.7 Selección del Refrigerante adecuado 3.8 Sistemas de bombas de Calor 3.9 Sistemas Innovadores de Refrigeración por compresión de vapor 3.9.1 Sistema de refrigeración en cascada 3.9.2 Sistema de refrigeración por compresión de múltiples etapas 3.9.3 Sistema de refrigeración por compresión de propósito múltiple con un solo compresor 3.9.4 Licuefacción de gases 3.10 Ciclos de refrigeración de gas 3.11 Sistemas de refrigeración por absorción de vapor. 4. Cuerpo de Trabajo y aportes grupales 4.1 Estudio 1: Comparaciones de los diferentes artículos en relación a la eficiencia del ciclo de refrigeración por compresión y absorción de vapor 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.1 Estudio 2 4.2 Estudio 3 4.3 Conclusión Grupal 5. Referencia Bibliográficas

6. Recomendación 7. Anexo Grupal 8. Temas Futuros de la investigación

8

1. INTRODUCCIÓN Como todos sabemos que en la vida cotidiana el calor siempre fluye desde una temperatura Alta hacia una temperatura Baja, el proceso inverso no puede ocurrir por si solo por lo cual acudimos a la segunda ley de la termodinámica, así que para poder lograr transferir calor desde una Baja temperatura hacia una alta temperatura sin violar la segunda ley, se requiere de Dispositivos llamados refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos se refrigeración se llaman refrigerantes “sustancia que actúa como un agente de enfriamiento, con propiedades especiales de punto de evaporación y condensación. Mediante cambios de presión y temperatura absorben calor en un lugar y lo disipan en otro mediante un cambio de líquido a gas y viceversa”. Hay otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura es la bomba de calor, los refrigeradores y las bomba e calor son esencialmente lo mismo, solo que sus objetivos son diferentes, el de refrigerador es mantener un espacio refrigerado a una temperatura bja y extraer calor de él, mientras que la bomba es mantener un espacio calentado a alta temperatura. El desempeño de los refrigeradores y las bombas de calor se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP), por sus siglas en inglés (coeficiente of Performance) y que es definido por la salida deseada entre la entrada requerida (trabajo). Muchos de los aspectos imprácticos asociados el ciclo invertido de Carnot pueden ser eliminados al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima y al sustituir la turbina por un dispositivo de estrangulamiento (válvula) o tubo capilar. El ciclo que resulta se denomina Ciclo ideal de Refrigeración por compresión de Vapor. Se compone de 4 procesos: En el ciclo ideal por compresión de vapor el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado se comprime isoentrópicamente hasta la presión del condensador y queda en vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el

fluido se convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja, se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulación y ℎ3 = ℎ4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante. Como ya sabemos cómo funciona un ciclo de refrigeración por compresión de vapor lo que será implementado como una frigorífica, lo aplicaremos a la conservación de salmón como tema principal de nuestro trabajo. Para comprender le hablaremos sobre refrigeración a -24 °C que es uno de los principales métodos para preservación de Productos, sabemos que la disminución de la temperatura, reduce la actividad de microorganismos y enzimas, previniendo de esta forma el deterioro de los alimentos. Por lo anteriormente dicho se utiliza la congelación para mantener los alimentos durante un periodo de tiempo mayor que el que nos permite la refrigeración, ya que en este proceso se solidifica una gran parte de agua contenida en el alimento. Estos alimentos congelados se deben almacenar en estas condiciones hasta el momento de su consumo, dependiendo su valor nutritivo del tipo de alimento y el tiempo de congelación. Estos almacenes deben ser diseñados y construidos de tal forma que impidan el rompimiento de la cadena de frio y así asegurar que el producto se mantiene a la temperatura en que fue congelado.

2. ANTECEDENTES 2.1 COMO EMPEZO EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc., hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde y Windhausen la de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, etc. Un capítulo aparte merece Carré, propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le BlancCullen-Leslie la de eyección. Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la evolución industrial a que obliga la continua alza de la vida. La refrigeración tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc.

Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social. El ciclo termodinámico de enfriamiento por absorción, al igual que el de compresión, se basa en la necesidad del fluido usado como refrigerante de obtener calor del líquido a enfriar para poder pasar del estado líquido al de vapor al reducirse la presión a la que está sometido. En los equipos de refrigeración, el fluido en estado líquido se encuentra a más alta presión en el condensador y se le hace fluir al evaporador a baja presión donde obtiene de su entorno el calor necesario para poder evaporarse. Este refrigerante en estado vapor se devuelve a alta presión al condensador donde se le sustrae el calor que ha obtenido volviendo al estado líquido para empezar de nuevo el ciclo. Con ello se logra el objetivo de sacar calor de un espacio, el evaporador, enfriándolo, para disiparlo en otro, el condensador. Mientras que en el ciclo de compresión, la circulación del fluido y el efecto de la presión se obtiene con un compresor mecánico, en el ciclo de absorción ello se logra aportando calor al generador donde el refrigerante está mezclado con otro fluido denominado absorbente cuya función es absorber el vapor en la zona de baja presión para poder devolverlo en forma líquida al generador.

El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente. Sus antecedentes pueden situarse en 1755, cuando el escocés William Cullen consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana donde mantenía una presión reducida. Poco después, en 1777, otro escocés, Gerald Nairne, introducía ácido sulfúrico en la campana de Cullen, de manera que el vapor de agua fuera absorbido por este, dejando espacio para permitir una mayor evaporación de agua. Algo más tarde, en 1810, John Leslie coloca dentro de la campana bajo vacío, un recipiente con el agua a evaporar y en el fondo otro recipiente con el ácido sulfúrico, logrando una producción de 3 kg de hielo por hora.

Pero es finalmente el francés Ferdinand Carré, quién construye y comercializa la primera máquina de absorción, destinada principalmente a la fabricación de hielo, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. Esta máquina fue patentada en 1859 y obtuvo el premio de la Exposición Universal de Londres de 1862. En 1875 el buque Paraguay, equipado con máquinas de Carré, transportó por primera vez carne congelada desde Buenos Aires hasta el puerto de Le Havre. Hasta los años sesenta del pasado siglo XX, esta técnica se desarrolló especialmente en los Estados Unidos, pero posteriormente ha evolucionado particularmente en el Japón debido probablemente a la política energética seguida por éste país. Existen versiones de llama directa en las que el calor es aportado por un quemador de combustible y otras por agua caliente, donde se utiliza la energía contenida en agua caliente de origen solar o procedente de equipos de cogeneración u otras fuentes de calor gratuito o residual. El desarrollo de esta tecnología se ha derivado en dos grandes grupos en función del refrigerante y del tipo de absorbente utilizado. Uno de ellos utiliza una solución de amoniaco y agua siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. A esta familia corresponden los equipos de la firma ROBUR distribuidos por ABSORSISTEM. El otro grupo emplea una solución de bromuro de litio (LiBr) con agua donde ésta actúa como refrigerante siendo las sales de LiBr el absorbente. Los equipos de las marcas YAZAKI y THERMAX, distribuidos también por ABSORSISTEM, pertenecen a ésta segunda familia.

3. MARCO TEÓRICO 3.1 INTRODUCCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Existen dos presiones en el ciclo básico de refrigeración por compresión: la de evaporación o de baja presión y la de condensación o de alta presión. El refrigerante actúa como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador, donde es despedido a la atmósfera o al agua de enfriamiento, en el caso de sistemas enfriados por agua. Un cambio de estado líquido a vapor, y viceversa, permite al refrigerante absorber y descargar grandes cantidades de calor en forma eficiente. El ciclo básico de refrigeración opera de la siguiente forma: el refrigerante líquido a alta presión es alimentado al tanque recibidor a través de la tubería de líquido, pasando por un filtro desecante al instrumento de control, que separa los lados de alta y de baja presión del sistema. Existen varios instrumentos de control de flujo que pueden emplearse, pero en la ilustración se considera únicamente la válvula de expansión, la cual controla la alimentación del refrigerante líquido al evaporador, y por medio de un pequeño orificio reduce la presión y la temperatura del refrigerante. La reducción de presión en el refrigerante líquido provoca que éste hierva o se vaporice, hasta que el refrigerante alcanza la temperatura de saturación, correspondiente a la de su presión. Conforme el refrigerante de baja temperatura pasa a través del evaporador, el calor del elemento a enfriar fluye a través de las tuberías del mismo hacia el refrigerante, haciendo que la acción de ebullición continúe hasta que el refrigerante se encuentre totalmente vaporizado.

La válvula de expansión regula el flujo a través del evaporador para mantener el sobrecalentamiento constante, para mantener la diferencial de temperatura que existe entre la temperatura de vaporización y el vapor que sale del evaporador. Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador varía, el bulbo de la válvula de expansión registra variación y actúa para modular la alimentación a través de la válvula de expansión, y así adaptarse a las nuevas necesidades. El vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a través de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor toma el vapor a baja presión y lo comprime aumentando, tanto su presión, como su temperatura. El vapor caliente, al alcanzar una alta presión, es bombeado fuera del compresor a través de la válvula de descarga hacia el condensador. Conforme pasa a través de éste, el gas a alta presión es enfriado por algún medio externo. En sistemas enfriados por aire se usa generalmente un ventilador y un condensador aletado. En sistemas enfriados por agua se emplea por lo regular un intercambiador de calor refrigerado por agua. Conforme el vapor del refrigerante alcanza la temperatura de saturación, correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se condensa y fluye al recibidor como líquido, repitiéndose nuevamente el ciclo. Calor de compresión Cuando se comprime el refrigerante en el cilindro del compresor, se aumenta la presión y se reduce el volumen. El calor de compresión se define como: “el calor agregado al gas refrigerante que resulta de la energía de trabajo usado en el compresor”. El calor que debe desechar el condensador se llama calor de rechazo y consiste en el total de calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, en el compresor, y cualquier calor agregado al sistema debido a ineficiencias del motor (este último aplicable únicamente a compresores herméticos y semiherméticos). Para motocompesores herméticos y semiherméticos, el calor de rechazo es además el que produce la carga de refrigeración. Efecto del cambio de la presión en la succión El volumen específico del gas de retorno al compresor aumenta, si se mantienen constantes todos los factores, al reducirse la presión de succión. La disminución de la densidad del gas de succión merma el peso del refrigerante bombeado, con la consecuente pérdida de capacidad del compresor. Por lo tanto, para obtener la mayor capacidad y economía de operación, es de gran importancia que el sistema de refrigeración opere a las presiones de succión más altas posibles. Efecto del cambio de la presión de la descarga. Un aumento en la presión de descarga provoca un incremento en la relación de compresión, con la resultante pérdida de eficiencia volumétrica. Aun cuando la pérdida de capacidad no es tan grande como la causada por una disminución en la presión de succión equivalente, será de todas maneras bastante perjudicial.

3.2 Refrigeración y bombas de calor 3.3 El ciclo invertido de Carnot 3.4 El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 3.5 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor 3.6 Análisis de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor 3.7 Selección del Refrigerante adecuado 3.8 Sistemas de bombas de Calor 3.9 Sistemas Innovadores de Refrigeración por compresión de vapor Ya que el ciclo de compresión de vapor es uno de los más utilizado para sistemas de refrigeración por lo que estos son más económicos, simples y confiable en muchas de las empresas o industrias de nuestros días, pero a veces surgen ciertas diversidades los cuales lo hacen inadecuado a diversas industrias entre otras aplicaciones donde este ciclo es de gran importancia. Dado esto es necesario algunas modificaciones de estos sistemas y a continuación se dichas modificaciones y refinamientos que estas reciben. 3.9.1 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR CASCADA Distintos sectores encuentran en los sistemas en cascada la mejor solución para lograr eficiencia y rendimiento en sistemas de baja temperatura. Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas (