EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

 EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR

        El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo real de refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar los procesos de suministro y disipación de calor a temperatura constante para alcanzar el mayor valor posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una máquina frigorífica con un ciclo de compresión de vapor. En la Figura 3.15 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime isoentrópicamente a 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 mas 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.          

Fig. 3.15. Esquema de la maquinaria y los diagramas Ts y  Ph de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se presentó en la Figura 3.15, contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación. Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles.La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseño. Una tonelada de refrigeración se define como la rapidez de extracción de calor de la región fría ( o la rapidez de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo del compresor.

El coeficiente de rendimiento de un refrigerador se expresa como

         

El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor se expresa como

         

PROCESO DE COMPRESIÓN REAL

        El proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropía. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Además el compresor no es isoentrópioco. Esto se observa en la Figura 3.16.

Fig. 3.16. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeración por compresión de vapor con eficiencia adiabática en el compresor.

                                          La eficiencia adiabática del compresor viene dada por

                                                           

                                 

SISTEMAS POR COMPRESION DE VAPOR EN CASCADA Y DE ETAPAS MÚLTIPLES

        Es necesario examinar dos variaciones del ciclo de refrigeración básico por compresión de vapor. La primera es el ciclo en cascada, que permite usar un ciclo por compresión de un vapor cuando la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador es muy grande. En la segunda variación se emplea el uso de compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio, la cual reduce la entrada necesaria de trabajo.

CICLO DE CASCADA

        En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el proceso de refrigeración en etapas, es decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operen en serie. Dichos ciclos reciben el nombre de ciclos de refrigeración en cascada.        Un ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas se muestra en la Figura 3.17. Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio de ambos, el cual sirve como el evaporador en el ciclo superior  (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior (ciclo B). Si se supone que el intercambiador de calor está  bien aislado y las energías cinética y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor al fluido en el ciclo superior. De modo que la relación de los flujos de masa en cada ciclo debe ser 

                        

Además,

       

En el sistema en cascada, no es necesario que los refrigerantes en ambos ciclos sean iguales ya que no se produce mezcla en el intercambiador de calor.

Fig. 3.17 Esquema del equipo y diagrama Ts de un ciclo de refrigeración en cascada.

CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR EN ETAPAS MÚLTIPLES

        Otra modificación del ciclo de refrigeración por compresión de vapor consiste en la compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio para disminuir la entrada de trabajo.        Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeración en cascada es el

mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo, ya que éste cuenta con mejores características de transferencia de calor.

Fig. 3.18 Esquema de la maquinaria y diagrama Ts de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo.

La Figura 3.18 muestra un esquema para el ciclo de compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. El líquido que sale del condensador se estrangula (proceso 5-6) al entrar a una cámara de expansión mantenida a presión intermedia entre la presiones del evaporador y el condensador. Todo el vapor que se separa del líquido en la cámara de expansión se transfiere a una cámara de mezclado, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor de baja presión en el estado 2. La cámara de mezclado actúa como un enfriador intermedio regenerativo, pues enfría el vapor que sale del compresor de baja presión antes que toda la mezcla entre la etapa de alta presión del compresor en el estado 3. El líquido saturado de la cámara de expansión se estrangula al pasar a la presión del evaporador en el estado 9.        El proceso de compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura 3.18, en la cual se ha supuesto compresión isoentrópica. Aunque el mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema, los flujos en cada circuito no son iguales.        Con objeto de analizar el sistema conviene suponer que en uno de los circuitos circula la unidad de masa. En este análisis supongamos que la unidad de masa pasa por los estados 3-4-5-6 del circuito de alta presión. La fracción de vapor formado en la cámara de expansión es la calidad x del fluido en el estado 6 de la figura 3.18 y ésta es la fracción del flujo que pasa por el condensador que atraviesa la cámara de mezclado. La fracción del líquido que se forma es (1-x) y es la fracción del flujo total que pasa por el evaporador. Se puede evaluar la entalpía en el estado 3 por medio de un balance de energía en la cámara de mezclado en condiciones adiabáticas

    

en la que h3 es la única incognita. El efecto de refrigeración por unidad de masa que pasa por el evaporador es

La entrada total de trabajo al compresor por unidad de masa que pasa por el condensador es la suma de las cantidades para las dos etapas, es decir,

El coeficiente de funcionamiento del ciclo de compresión de vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se define como qrefrig/wcomp.

PROBLEMAS RESUELTOS SOBRE EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

 UNIDAD III: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Problemas. 

1) Un ciclo sencillo de refrigeración que utiliza amoníaco como sustancia de trabajo, necesita mantener un espacio refrigerado a 0°C. El ambiente que rodea al condensador está a 38°C. Considere vapor saturado a la entrada del compresor y líquido saturado a la salida del condensador. La eficiencia adiabática del compresor es el del 100%. Determine el coeficiente de realización de este ciclo.

Haciendo volumen de control en el mezclador

2) Considere un ciclo ideal de refrigeración que utiliza Freón-12 como fluido de trabajo. El ciclo esta formado por dos lazos, uno de potencia y el otro de refrigeración. Vapor saturado a 105°C deja la caldera y se expande en la turbina a la presión del condensador. Vapor saturado a -15°C deja el evaporador y es comprimido a la presión del condensador. La relación de flujos a través de los dos lazos es tal que la potencia producida por la turbina es justa la potencia para mover el compresor. Líquido saturado a 45°C deja el condensador y se divide en proporciones necesarias. Calcule: a) La relación de flujos másicos a través de los dos lazos b) El coeficiente de realización del ciclo en términos de la relación

     

       

   

Hacemos volumen de control a la turbina y compresor

 

Para la bomba

Para el evaporador

Para la caldera

UNIDAD III: CICLO BRAYTON

Problemas.

1) Una planta de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton con regeneración, entrega 20000 kW a un generador eléctrico. La temperatura máxima es 1200 K  y la temperatura mínima es 290 K. La presión mínima es 95 kPa y la presión máxima es 380 kPa. La eficiencia del regenerador es de 75%. La eficiencia del compresor es de 80% y la de la turbina es 85%.a) ¿Cuál es la potencia de la turbina?b) ¿Qué fracción de la potencia de la turbina es usada para mover el compresor?

2) En un ciclo Brayton simple de aire normal se tiene una relación de presiones de 12, una temperatura a la entrada del compresor de 300 K y una temperatura a la entrada de la  turbina de 1000 K.Determine el flujo másico requerido de aire para una salida de potencia neta de 30 MW; suponga que tanto el compresor como la turbina tienen una eficiencia isoentrópica de 80%. Considere los calores específicos constantes a temperatura ambiente.En caso de que se pudiera hacer regeneración, ¿Qué cantidad de calor se podría aprovechar? Explique.

   

Para el compresor

Para la turbina

Haciendo volumen de control para el compresor mas la turbina

Como T4 < T2 no se puede hacer regeneración.

UNIDAD III: CICLO OTTO Y CICLO DIESEL

Problemas.

1) Un ciclo Otto ideal con aire tomado de la atmósfera como fluido de trabajo, tiene una relación de compresión de 8. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 K y 1600 K. Determine:

a) La cantidad de calor transferido al aire durante el proceso de adición de calor.b) La eficiencia térmica.c) La presión media efectiva y la cilindrada.

2) Un ciclo de aire, se ejecuta en un sistema cerrado y se compone de los siguientes 4 procesos:

1-2 Compresión isoentrópica de 100 kPa y 27ºC a 1 Mpa2-3 Adición de calor a P = Ctte en la cantidad de 2840 Kj/kg.3-4 Rechazo de calor a V=ctte hasta 100 kPa4-1 Rechazo de calor a P=ctte hasta el estado inicial

a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-sb) Calcule la temperatura máxima en el cicloc) Determine la eficiencia térmica.