ciclos de refrigeración-termodinamica
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Semana 11
Ciclos de refrigeración
Dr. Renzon Cosme Pecho
• Refrigeradaroes • Ciclo ideal y real de refrigeración por comprensión de
vapor
• Ciclo de refrigeración adecuada.
Ciclo de refrigeración
El objetivo de un refrigerador es extraer calor (QL) del medio frío; el objetivo de una bomba de calor (QH) es suministrar calor a un medio caliente.
Ciclo de Refrigeración
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo
utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes.
Ciclo de Refrigeración: refrigerantes
La siguiente tabla proporciona refrigerantes usados en la actualidad.
Ciclo de Refrigeración: refrigerantes
• R-11 se usa en enfriadores de agua de gran capacidad, por ex.
Acondicionamiento del aire en edificios.
• R-12 se usa refrigeradores domésticos y congeladores
• R-22 se usa em acondicionares de aire tipo ventana, bombas de
calor, acondicionadores de aire comerciales, refrigeración
industrial.
• R-502 es uma mezcla de R-115 y R-22, refrigerante dominante se
usa em refrigeracion comercial. Por ex. supermercados.
• CFC esta prohibido, por radiación ultravioleta a la atmósfera de la
tierra.
• R-11, R-12 y R-115 son responsables por el daño a la capa de
ozono. Actualmente es usado el R-134ª, libre de cloro
Dos parametros importantes para elección de refrigerante:
1.- temperatura de los dos medios.
2.- que no sea tóxico, corrosivo o inflamable, con alta entalpia de
vaporización.
Comparando (1) y (2):
COP de refrigerador:
Ciclo de Refrigeración
Coeficiente de desempeño (COP)
COP de bomba de calor:
(1)
(2)
El Ciclo invertido de Carnot
Recuerde: • El ciclo de carnot es un ciclo totalmente reversible • Esta compuesto de dos procesos isotérmicos reversibles y de
dos procesos isentrópicos. • Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que
comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo.
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).
El Ciclo invertido de Carnot
El Ciclo invertido de Carnot
Los coeficientes de desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor de Carnot en términos son:
El Ciclo ideal de refrigeración por comprensión de
vapor:
Aspectos imprácticos del ciclo invertido de Carnot pueden ser
eliminados, como por ejemplo:
• Al evaporar el refrigerante por completo antes de que se
comprima.
• Al sustituir la turbina con un dispositivo de
estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o un
tubo capilar.
El ciclo que resultaría es el Ciclo Ideal de refrigeración por
comprensión de vapor.
El Ciclo ideal de refrigeración por comprensión de
vapor: Se compone de 4 procesos:
Proceso 1-2: Compresión isentrópica en un compresor.
Proceso 2-3: Rechazo de calor a presión constante en el condensador.
Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
Proceso 4-1: Absorción de calor a presión constante en el evaporador
El Ciclo ideal de refrigeración por comprensión
de vapor:
Los tubos en el
compartimiento del
congelador, donde el
calor es absorvido,
sirven como
EVAPORADOR.
Los serpentines detrás
del refrigerador, donde
el calor se disipa,
sirven como
CONDENSADOR.
El Ciclo ideal de refrigeración por comprensión de
vapor:
Otro diagrama utilizado en el análise de este ciclo es el diagrama P-H.
Considerando:
El Ciclo es un dispositivo de
flujo estacionario.
Ep y Ec son pequeños (ignora)
La ecuación de energía:
COP de refrigerador:
Coeficiente de desempeño (COP)
COP de bomba de calor:
El Ciclo ideal de refrigeración por comprensión de
vapor:
Problemas
En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo, y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo másico del refrigerante es 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminación 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. Solución:
Problemas
Solución:
Estado estacionario
Ep y Ec son insignificantes
Problemas
Solución:
Ciclo Real de refrigeración por compresión
de vapor
El ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere del ciclo
ideal, debido a las irreversibilidades que ocurren en diversos
componentes: fricción del fluido y transferencia de calor.
Ciclo Real de refrigeración por compresión
de vapor
Eficiencia isentrópica del compresor:
Donde el estado 2ª es el estado real y 2s es para el caso isentrópico.
Sistemas innovadores de refrigeración por
compresión de vapor
1.- Sistemas de refrigeración en CASCADA
Algunas aplicaciones industriales requieres T bajas, un gran
intervalo de T significaría un gran nivel de presión. Una
manera de enfrentar esas situaciones consiste en efectuar un
proceso de refrigeración por etapas, es decir tener dos o mas
ciclos de refrigeración que operan en serie.
Suponiendo que el intercambiador esta aislado y Ep y Ec son
despreciables, tenemos:
Además:
Sistemas innovadores de refrigeración por
compresión de vapor
1.- Sistemas de refrigeración en CASCADA
Este ciclo en CASCADA, se conectan por un intercambiador
de calor, lo cual sirve como evaporador para el ciclo A y
condensador para el ciclo B.
Problemas
Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión 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 adiabático de contraflujo donde ambos flujos entran aproximadamente a 0.32 MPa. (En la práctica, el fluido de trabajo del ciclo inferior estará a una presión y una temperatura más altas en el intercambiador de calor, para una transferencia de calor efectiva.) Si el flujo másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 kg/s, determine a) el flujo másico del refrigerante en el ciclo inferior, b) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, así como c) el coeficiente de desempeño de este refrigerador en cascada. Solución:
Problemas
Solución: Los diagramas T-s del ciclo de refrigeración en cascada
Problemas
Solución:
Problemas
Solución:
Sistemas innovadores de refrigeración por
compresión de vapor
2.- Sistemas de refrigeración por comprensión de
múltiples etapas
Cuando el fluido utilizado por todo el sistema es el mismo, se
puede substituir el intercambiador por una camara de
vaporización instantánea, puesto que tiene mejores
características.
Sistemas innovadores de refrigeración por
compresión de vapor
2.- Sistemas de refrigeración por comprensión de
múltiples etapas
Ciclos de refrigeración de gas
• Conocido como el ciclo invertido Brayton.
• Todos los procesos descritos son internamente reversibles
• El ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas
• En un diagrama T-s, el área bajo la curva del proceso 4-1
representa el calor removido del espacio refrigerado; el área
encerrada 1-2-3-4-1 representa la entrada neta de trabajo.
Entonces COP se expresa como:
Ciclos de refrigeración de gas
El gas se comprime durante el proceso 1-2. El gas a P y T altas en estado 2 se
enfría a P=cte hasta T0 y rechaza calor a los alrededores. Luego sigue el
proceso de expansión en la turbina, donde la T del gas disminuye hasta T4. Por
último, el gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su
temperatura se eleva hasta T1.
Problemas
Un ciclo de refrigeración de gas ideal que usa aire como medio de trabajo, va a mantener un espacio refrigerado en 0°F mientras rechaza calor hacia los alrededores a 80°F. La relación de presión del compresor es 4. Determine a) las temperaturas máxima y mínima en el ciclo, b) el coeficiente de desempeño y c) la tasa de refrigeración para un flujo másico de 0.1 lbm/s. Solución:
Problemas
Solución:
Problemas
Solución:
Ciclos de refrigeración por absorción:
• Es económico • Se usa cuando se tiene
una fuente de energía térmica barata.
• El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte
Ciclos de refrigeración por absorción:
• Los sistemas de refrigeración por absorción son mucho más
costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de
vapor.
• Son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos
eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamiento mucho
más grandes para liberar el calor residual, y son más difíciles en
mantenimiento dado que son poco comunes.
• Así, los sistemas de refrigeración por absorción deberían
considerarse sólo cuando el costo unitario de la energía térmica
sea bajo y se proyecte permanecer bajo en comparación con la
electricidad.
• Los sistemas de refrigeración por absorción se utilizan
principalmente en grandes instalaciones comerciales e
industriales.
Ciclos de refrigeración por absorción:
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