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Ciclos de Refrigeración Pablo Contreras Fica Termodinámica Instituto IACC 16-12-2019

Desarrollo



Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias.

Procesos (Ciclos)

Procesos

CICLO INVERTIDO

El ciclo de Carnot es un proceso reversible con cuatro etapas

DE CARNOT

dos isotérmicas y dos adiabáticas. 

1-2 expansión isotérmica



2-3 expansión adiabática



3-4 compresión isotérmica



4-1 compresión adiabática El ciclo de Carnot es un ciclo teórico ideal que no puede

Ser ejecutado físicamente por una máquina, este ciclo lo que propone es sacar el máximo rendimiento a una máquina Ciclo de Carnot 

El ciclo de Carnot utiliza turbina para su funcionamiento



Su proceso es completamente reversible



Su eficiencia depende de las temperaturas de cesión y absorción de calor durante sus procesos.

CICLO IDEAL

El ciclo real costa de los siguientes procesos 

1-2 compresión isentropica en un compresor



2-3 rechazo de calor a presión constante en un condensador



3-4 estrangulamiento de un dispositivo de expansión



4-1 absorción de calor a presión constante en un evaporador. Ciclo ideal



En el ciclo ideal no considera perdidas de presión y calor durante su proceso.



En el estado 1 el refrigerante se encuentra como vapor saturado.



Utiliza válvula de expansión o tubo capilar.



En el ciclo ideal el proceso de compresión es adiabático e isentrópica.

CICLO REAL

El ciclo real su proceso son los siguientes 

1-2 compresión isentropica



2-3 Rechazo de calor isobárico



3-4 expansión (estrangulación)



4-1 absorción de calor isobárica Ciclo real



El refrigerante llega al compresor ligeramente sobrecalentado



Utiliza válvula de expansión o tubo capilar.



El ciclo real, experimenta pérdidas, tanto de presión como de calor por medio de los conductos.



En la realidad, los efectos de la fricción que incrementa la entropía y la transferencia de calor, pueden aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la dirección (enfriamiento o calentamiento).

DIFERENCIAS GENERALES Algunas diferencias entre los ciclos reales de compresión de vapor y los ideales 

radican en las irreversibilidades del sistema, tales como: la fricción del fluido que genera caídas de presión y la transferencia de calor desde y hacia los alrededores.



En los sistemas reales, la línea que conecta el compresor con el evaporador es muy larga, generándose tanto una caída de presión debido a la fricción del fluido con la tubería, como la transferencia de calor desde los alrededores. Todo esto trae como consecuencia un incremento en el volumen específico del fluido, por lo que se requerirá de mayor entrada de potencia en el compresor.



En el caso ideal, el refrigerante sale del condensador como líquido saturado, pero en la práctica, este control es difícil y por eso se busca alcanzar un estado de líquido subenfriado (estado 4), para así garantizar que a la válvula de expansión o tubo capilar llegue el refrigerante completamente en estado líquido.

SIMILITUDES PARA LOS TRES CICLOS 

Utilizan fluido de refrigeración para su trabajo



Trabajan con presión y temperatura



En un diagrama T-s sus ciclos trabajan de forma contraria a las manecillas del reloj.



Trabajan con fluidos condensables.



Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de refrigeración para uso industrial, compare sus componentes, desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuáles criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante.

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PARA CÁMARAS FRIGORÍFICAS

Su Principal Función Para que el sistema de refrigeración se lleve a cabo se necesitan una serie de componentes para que el refrigerante cambie de estado y se pueda producir el proceso de frio. Su característica consiste en proporcionar el almacenamiento para el líquido procedente del condensador para que haya un suministro constante de líquido para el evaporador, según las necesidades del mismo. Este tipo de sistemas son muy utilizados en la conservación de productos perecibles conservándolos por mucho más tiempo.

Sus Principales Componentes Son 

Nitrógeno liquido



Receptor (Depósito)



Línea de Líquido



Control de Flujo de Refrigerante



Evaporador



Línea de Aspiración



Compresor



Línea de Descarga



Condensador



Lado de Alta presión y Baja presión

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR AIRE ACONDICIONADO DE UN MOTOR

Su Función Principal En la unidad exterior es donde está el motor o compresor que es el encargado, comprimir el gas. Al comprimirse el gas se convierte en estado líquido y su temperatura aumenta a continuación es impulsado hacia el condensador, en este proceso es el radiador y se verá cómo en su funcionamiento esta expulsa aire caliente. Pues bien, llegado al condensador lo que se hace es robarle calor y este proceso se llama sub-enfriamiento. Al robarle calor el gas empieza a convertirse en estado gaseoso (aunque no del todo) iría una mezcla de gas líquido y gaseoso hasta la válvula de expansión. La válvula de expansión lo que produce es una pérdida de carga en el refrigerante, produciendo una bajada de la presión y de la temperatura del gas. Sus Principales Componentes Son 

Refrigerante 134ª



Radiador



Bomba centrifuga de agua



Válvula reguladora de temperatura, también llamado termostato



ventilador

 Se dice que los primeros refrigerantes que se empezaron a utilizar en procesos de frio fueron el amoniaco (NH3), el dióxido de carbono (CO2), y el dióxido de azufre (SO2) en las primeras máquinas de producción mecánicas de frio alrededor del año (1867) aproximadamente, el problema de estos refrigerantes es que presentaban grandes problemas de toxicidad, explosión y además corrosión además de ser contaminantes

para el medio ambiente, por ende se introdujeron refrigerantes más amigables con el medio ambiente como en este caso en particular es el nitrógeno líquido, y el refrigerante 134ª respectivamente, el cual al ser liberados no causa contaminación a la atmosfera terrestre. Siempre, el refrigerante que se utilice tiene que ser acorde a las exigencias requeridas para su utilización, pero sin olvidar el cuidado al medio ambiente.



Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1.000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento de 400 kW.



Datos del ejercicio

Tablas Termodinámicas (A-11, A-12, A13) T1vapor saturado = 4°C h1 = (252,77

KJ Kg

s1 = (0,92927

)

KJ

) °K Kg

P2 = 1.000kPa = 1Mpa

P3líquido saturado = 1.000kPa

S2 = S1

h3 = (107,32

h2 = (275,29

KJ

) Kg

KJ Kg

)

h4 = h3 = (107,32

KJ Kg

)



Desarrollo

QL = m (h1 – h4) Despejando en la Formula m=(𝐡

𝐐𝐋

𝟏 − 𝐡𝟒

)=

KJ s

( 400 ) KJ KJ ((252,77 ) − (107,32 )) Kg Kg

= ( 2,75

Kg s

)

 Calculo de potencia necesaria requerida de enfriamiento Win = m (h2 – h1) = ( 2,75

Kg s

) ∗ ((275,29

KJ Kg

) − (252,77

KJ Kg

)) = 61,93KW

 Calculo del COP del sistema se determina por la siguiente definición QL

400KW

COPR = ( Win) = ( 61,93KW) = 6.45



Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 MPa y -5 °C a un flujo másico de 0,7 kg/s, y sale a 1,2 MPa y 70 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 44 °C y 1,15 MPa, y se estrangula a 0,2 MPa.

Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine:

a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. b. La eficiencia isentrópica del compresor c. el COP del refrigerador

 Tabla (A-12 y A-13) y las consideraciones que se deben tomar en cuenta  Condiciones de operaciones estacionarias  Los cambios de energía cinética y potencial son despreciables en los diferentes procesos

Diagrama T-s. se muestran los datos del problema planteado



Datos y Desarrollo del Ejercicio

 Calculo de la carga de remoción cálculo de las entalpías h1 y h4  Formula N°1 𝐐𝐛 = m(h1 – h4)  h1 se obtiene de la tabla A-13 refrigerante sobrecalentado  P1 = 200kPa = 20MPa se obtiene por interpolación  T1 = -5°C se obtiene por interpolación 

Entonces la entalpia h1 la obtenemos

 253,05 + 244,54 =(

297,59 2

𝐾𝐽

) =( 248,80 Kg)

𝐾𝐽

 h1 = ( 248,80 Kg)  h4 ≈ h3 son aproximadamente iguales debido a el proceso de expansión 3-4 en la válvula suponemos que es un proceso isoentálpico.



Para obtener la entalpia h3 se obtiene según (Tabla A-11) de refrigerante 134a saturado.

 P3 = 1.150 kPa  T3 = 44°C  Suponiendo que el punto 3 está muy próximo a la línea de líquido saturado  Tsat = 44,56°C 𝐾𝐽

 h4 ≈ h3 = hf = ( 115,16 Kg)

 Ahora se remplazan los valores según la fórmula N° 1  Qb = m(h1 – h4) = ( 0,7



𝐾𝑔 s

𝐾𝐽

𝐾𝐽

) * ( ( 248,80 Kg) − ( 115,16 Kg) ) = 93,55KW

Calculo de la potencia de entrada al compresor según formula

 Win = m (h2 – h1)

Tabla A-13 por interpolación   

KJ

 s1 = (0,9539 Kg)°K 𝐾𝐽

 h2s = ( 287,18 Kg)

0,9267 0,9539 0,9614

  

278,27 287,18 289,64

 Win = m (h2 – h1)  Win = = ( 0,7

𝐾𝑔 s

𝐾𝐽

𝐾𝐽

) * ( ( 300.61 Kg) − ( 248,80 Kg) ) = 36,267 KW

 La potencia de entrada del compresor es 36,267 KW



Entonces con los datos obtenidos encontraremos la eficiencia del sistema



Tabla refrigerante 134a sobrecalentado, podemos obtener la entalpía h2 con p2 = 1.2 MPa y T2 = 70°C. entonces:

 H2 = 300.61kJ/kg 

Una vez obtenidos los datos de la tabla procedemos a calcular según la formula

 Ƞc = (

 Ƞ =(

𝐡𝟐𝐬−𝐡𝟏 𝐡𝟐−𝐡𝟏

)

𝐾𝐽 𝐾𝐽 ) − ( 248,80 ) Kg Kg 𝐾𝐽 𝐾𝐽 ( 300,61 ) − ( 248,80 ) Kg Kg

( 287,18

) = 0,740

 Ƞ = 74%



Cálculo el COP Q̇

93,55KW

 COPR = ( Ẇb ) = ( 36,267KW) = 2,58 in

Bibliografía IACC. (2019) Contenido Semana 6, Recursos Adicionales Semana 6