refrigeración por compresión

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR

COMPRESIÓN

INGENIERÍA TÉRMICA

P á g i n a | 2

Francisco Luque Luque

Índice

Análisis de ciclo ideal (pág. 3)

- R134A (pág. 4)

- R717 (pág. 8)

- R410A (pág. 12)

- R404A (pág. 16)

- R290 (pág. 20)

- R22 (pág. 24)

o Comparativa (pág. 28)

o Información y conclusiones (pág. 31)

Análisis del ciclo real (pág. 33)

Simulación de ciclos reales (pág. 35)

Bibliografía (pág. 40)

P á g i n a | 3


ANÁLISIS DEL CICLO IDEAL

En este apartado se realizará una comparativa entre diferentes refrigerantes (R134A, R717

(amoníaco), R410A, R404A, R290 (propano), R22). Se estudiarán los aspectos siguientes para

cada refrigerante:

· En función de la temperatura de evaporación:

- Conductividad térmica.

- Viscosidad del líquido.

- Calor de evaporación volumétrico.

- Trabajo de compresión volumétrico.

- COPs (bomba de calor y refrigeración)

· Calor de evaporación volumétrico en función de la presión de evaporación.

Para todos los refrigerantes se supondrá una temperatura de condensación de 40ºC y una

temperatura de condensación variable entre -20 y 15ºC.

Se representará cada refrigerante individualmente y finalmente todos juntos en la misma gráfica

para facilitar la comparación de sus propiedades.

P á g i n a | 4


R134A

Donde los parámetros de entrada (T1 y T3) representan, respectivamente, la temperatura de

evaporación y condensación y se obtiene el HCOP para bombas de calor (#4), el CCOP de

refrigeración (#5), calor de condensación, de evaporación y trabajo de compresión (#6, #7, #8),

trabajo de compresión volumétrico y el calor de evaporación volumétrico (#9, #10) y,

finalmente, la conductividad térmica y la viscosidad (#11 y 12) junto a la presión de

evaporización (#13). La columna uno (#1) ha sido omitida porque sólo contiene la cadena de

caracteres del fluido refrigerante (en este caso ‘R134A’). Se extrapola esta explicación para los

próximos fluidos.

Gráfica 1: Conductividad térmica en función de la temperatura de evaporización

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,085

0,09

0,095

0,1

0,105

T [C]

k

P á g i n a | 5


Gráfica 2: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización

Gráfica 3: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0002

0,00025

0,0003

0,00035

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 6


Gráfica 4: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización

Gráfica 5: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización

100 200 300 400 500500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15280

300

320

340

360

380

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 7


Gráfica 6: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización

-20 -15 -10 -5 0 5 10 153

4

5

6

7

8

9

10

T [C]

CO

PCOPH

COPC

P á g i n a | 8


R717 (amoníaco)

Gráfica 7: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,5

0,52

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64

T [C]

k

P á g i n a | 9




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00014

0,00016

0,00018

0,0002

0,00022

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 10




100 200 300 400 500 600 700 8001000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500

550

600

650

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 11



-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

P á g i n a | 12


R410A


-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,09

0,1

0,11

0,12

T [C]

k

P á g i n a | 13




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00012

0,00014

0,00016

0,00018

0,0002

0,00022

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 152000

4000

6000

8000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 14




400 600 800 1000 12002000

4000

6000

8000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15750

800

850

900

950

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 15



-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

P á g i n a | 16


R404A


-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,07

0,072

0,074

0,076

0,078

0,08

0,082

0,084

T [C]

k

P á g i n a | 17




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00014

0,00016

0,00018

0,0002

0,00022

0,00024

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000

2000

3000

4000

5000

6000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 18




300 400 500 600 700 800 900 10001000

2000

3000

4000

5000

6000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15540

560

580

600

620

640

660

680

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 19



-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

P á g i n a | 20


R290 (propano)


-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,1

0,105

0,11

0,115

0,12

T [C]

k

P á g i n a | 21




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0001

0,00012

0,00014

0,00016

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 22




200 400 600 8001000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15440

460

480

500

520

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 23



-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

P á g i n a | 24


R22


-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,085

0,09

0,095

0,1

0,105

0,11

T [C]

k

P á g i n a | 25




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00018

0,0002

0,00022

0,00024

0,00026

0,00028

T [C]

Vis

cosi

dad

-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000

2000

3000

4000

5000

6000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

P á g i n a | 26




200 400 600 8001000

2000

3000

4000

5000

6000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500

520

540

560

580

600

T [C]

W [

kj/m

3 ]

P á g i n a | 27



-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

P á g i n a | 28


COMPARATIVA

Gráfica 37: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización. El amoníaco ha sido

eliminado, ya que su inclusión no haría posible la visualización del resto correctamente.


-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,07

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

T [C]

k

R22R134A

Amoníaco: Muy alta conductividad (eliminado)

R410A

R404A

Propano

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0001

0,00015

0,0002

0,00025

0,0003

0,00035

T [C]

Vis

cosi

dad

R22R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

P á g i n a | 29




-20 -15 -10 -5 0 5 10 150

2000

4000

6000

8000

T [C]

q

[kj

/m3 ]

R22R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

200 400 600 800 1000 1200

2000

4000

6000

8000

P [kPa]

q [

kj/m

3 ] R22

R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

P á g i n a | 30



Gráfica 42: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización.

El HCOP para R22 y para R134A coincide.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15200

400

600

800

1000

T [C]

W [

kj/m

3 ]

R22

R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

COPH

COPC

R22

R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

COPH

COPC

COPH

COPCCOPH

COPCCOPH

COPC

COPH

COPC

P á g i n a | 31


Gráfica 43: Comparativa de CCOP para los diferentes refrigerantes considerados

INFORMACIÓN y CONCLUSIONES

El refrigerante R134A es respetuoso con el medio ambiente. No es ni ignifugo, explosivo,

tóxico, irritante ni corrosivo. Su ODP (potencial de agotamiento del ozono) es cero, no

causando ningún daño a la capa de ozono, debido a que es un HFC (hidrofluorocarburo),

compuesto de hidrógeno flúor y carbono. Éstos, al estar libres de cloro, son inofensivos

a la capa de ozono, al contrario que los CFC (clorofluorocarbonos), prohibidos en la

actualidad. El mecanismo a través del cual éstos atacan a la mencionada capa se debe a

una reacción fotoquímica: al incidir la luz ultravioleta sobre la molécula CFC se libera un

átomo de cloro con un electrón libre (radical libre) fuertemente reactivo y con gran

afinidad por el ozono, rompiendo la molécula de éste último.

El CFC R-12 se ha visto sustituido por el HFC R134, con un costo más elevado de

refrigerante pero a su vez con un ahorro de energía. Otro HFC es el R410A, pero ofrece

un alto GWP (de 1725 comparado con el dióxido de carbono. El GWP (global-warming

potential) es una medida relativa de cuánto calor puede ser atrapado por un

determinado gas de efecto invernadero en comparación con un gas de referencia

(normalmente CO2), y es una índice a tener en cuenta a la hora de unas sustancias por

-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

4

6

8

10

12

T [C]

CO

P

R22

R134A

Amoníaco

R410A

Propano

R404A

P á g i n a | 32


otras. Como la permanencia de una sustancia en la atmósfera depende del transcurso

del tiempo y de su propia composición, éste índice es calculado para diferentes

intervalos (a 20, 100 y 500 años por ejemplo). El HFC-143A aún posee un GWP mayor

aún, siendo a 20 años de 3400, y de 1300 a 100 años.

Mientras que el R134A es usado en la refrigeración para automóviles, el 410A encuentra

más aplicación en aire acondicionado a baja y media potencia. También posee un buen

HCOP que lo convierte en buen candidato para bombas de calor reversibles. No es tóxico

ni inflamable en caso de fugas, pero trabaja a mayor presión que otros refrigerantes (se

puede observar claramente en la gráfica 40), por lo que no es usado como sustitutivo,

sino en máquinas diseñadas desde un principio para su uso. Su utilización en aires

acondicionados concuerda con las gráficas; en la número 39 se observa que tiene una

gran capacidad calorífica de enfriamiento respecto a su volumen a temperaturas de

evaporización cercanas a las que se alcanzan en estos equipos. Anteriormente a este

refrigerante en aires acondicionados, era utilizado el R22, prohibido actualmente por

ser un CFC. Aunque éste tiene mejor rendimiento (gráfica 43), el 410A también presenta

ventajas, como la anteriormente comentada (menor volumen de refrigerante necesario)

una leve conductividad térmica mayor (gráfica 37) y una viscosidad menor (gráfica 38).

Por otro lado se encuentra el amoníaco, con ODP = GWP = 0, pero dañino para el

organismo del ser humano y explosivo si está en una concentración alrededor del 20%

en aire y con disponibilidad de fuego abierto. De acuerdo con las propiedades

termodinámicas, es uno de los mejores refrigerantes, y su elevada conductividad

térmica permite usar tuberías de diámetro inferior. Es un refrigerante de bajo costo y

muy usado en sistemas de refrigeración con gran capacidad de enfriamiento.

El propano es un refrigerante de bajo costo, cuenta con un ODP=0 y un GWP=3, cifras

bastante buenas además de no ser tóxico. Como desventajas presenta inflamabilidad y

que necesita de compresores un poco mayores, por esto su uso se limita a instalaciones

industriales aunque se están realizando esfuerzos para demostrar que puede ser seguro

en aplicaciones domésticas. Como propiedades termodinámicas destacan su

conductividad térmica frente a la de los otros refrigerantes analizados y su baja

viscosidad (gráficas 37 y 38), y en cuanto a propiedades físicas destaca su alta

miscibilidad con la mayoría de lubricantes (no siendo recomendada la utilización de

aquellos basados en silicona o silicatos).

P á g i n a | 33


ANÁLISIS DEL CICLO REAL (laboratorio)

En la práctica se realizó la medición para el refrigerante R134A. Se calcula la potencia de

condensación a partir del balance energético en el condensador, siendo T5 la temperatura de

entrada del agua y T6 la temperatura de salida de la misma.

Conociendo éste y la entalpía de entrada (h2) y salida (h3) del mismo, se puede estimar el

caudal másico de refrigerante

Y así obtener la energía de enfriamiento del ciclo, calculando la potencia del evaporador

La eficiencia de la compresión se estudia como una relación entre el proceso ideal (con la

entalpía del fluido al ser comprimido isoentrópicamente) y el real. Como en nuestro caso se

tiene un compresor hermético, el cual posee procesos de recalentamiento y enfriamiento

internos, la eficiencia de compresión se calcula como

Que como la potencia eléctrica fue medida en vatios, incluye el factor de conversión a kW.

Con esto podemos estimar el recalentamiento de los gases. Teniendo en cuenta que las pérdidas

de energía se transforman en calor

Se puede despejar la potencia eléctrica del HCOP para sustituirla en la fórmula anterior, así

como la potencia de las pérdidas

Siendo el punto dos antes de la entrada del condensador y el tres a la salida. Se obtendría:

Por tanto se puede calcular la entalpía del fluido recalentado y, con ésta, su temperatura que

restándola a la inicial (en el punto 1) daría la temperatura de recalentamiento:

η total;iso = m ref r · h iso;2 – h1

welect · 0,001 · kW

W

Trecalentamiento = Trecalentado – T1h recal = h1 + +hperdidas

P á g i n a | 34


Los resultados obtenidos son:

Gráfica 44: Propiedades del refrigerante R134A y representación del ciclo medido en el laboratorio

Gráfica 45: Temperaturas y presión medidas en cada punto junto a las entalpías y entropías calculadas

HCOP=5,295 CCOP=4,412

Pérdidas de entalpía =11,5 [kJ/kg]

Eficiencia =0,7095

h_recal=268,6 [kJ/kg]

Caudal másico de refrigerante =0,00147 [kg/s]

Potencia de condensación =0,3082 [kJ/s] Potencia de evaporación=0,2568 [kJ/s]

Temperatura del gas recalentado =18,58 [C]

Temperatura de recalentamiento =13,34 [C]

-100 0 100 200 300 400 500101

102

103

104

105

h [kJ/kg]

P [

kPa]

70°C

40°C

12,7°C

-7,8°C

0,2 0,4 0,6 0,8

0,9

1

1,1

1,2

1

,3 kJ

/kg-

K

R134a

P á g i n a | 35


SIMULACIÓN DE CICLOS REALES

Se va a realizar una simulación para evaluar diferentes aspectos de un ciclo como son las

potencias caloríficas en condensador y evaporador así como la eléctrica consumida y los

CCOP/HCOP a partir de la eficiencia isoentrópica de un compresor y su rendimiento volumétrico.

Para ello se utilizará la ecuación propuesta por Pierre en 1982 de la eficiencia volumétrica

Donde

Y mediante la siguiente relación propuesta se obtendrá la eficiencia isoentrópica

Conociendo el caudal teórico del refrigerante, se puede calcular el caudal másico

Y el resto de parámetros a estudiar

ηv ol = k1 · 1 + ks · ∆Trecal – 18

100 · exp k2 ·

Pcond

Pev ap

ηv ol

η iso = 1 + ke ·

∆Trecal – 18

100 · exp a ·

Tcond + 273,15

Tev ap + 273,15 + b

m ref r = ηv ol · ρ1 · Vteorico

Wreal = ηv ol

η iso · ρ1 · Vteorico · ( h2 – h1 )

Qev ap = m ref r · ( h1 – h4 )

Qcond = m ref r · ( h2 – h3 )

COP ref r = Qev ap

Wreal

COPbomba = Qcond

Wreal

P á g i n a | 36


Para todos los fluidos se considerarán las mismas condiciones: un caudal teórico de 1 L/s, un

subenfriamiento de 5ºC, un recalentamiento de 8ºC, temperatura de condensación constante

de 40ºC y de evaporación variable entre -20 y 15ºC.

R717 (amoníaco)

R22

R134A

R410A

R404A

R290 (propano)

P á g i n a | 37


COMPARATIVA

Gráfica 46: Variación del HCOP en función de la temperatura de evaporación [ºC] para los distintos refrigerantes

Gráfica 47: Variación del consumo eléctrico [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 152

3

4

5

6

7

8

Tevap

CO

Pre

fr

AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134AR410AR410AR404AR404APropanoPropano

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Tevap

Wre

al


P á g i n a | 38


Gráfica 48: Variación de la potencia de condensación [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]

Gráfica 49: Variación de la potencia de enfriamiento [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10

Tevap

Qco

nd

AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134A

R404AR404AR410AR410A

PropanoPropano

-20 -15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

Tevap

Qev

ap


P á g i n a | 39


Como era de esperar tras el análisis teórico de los ciclos de refrigeración, el fluido que

obtiene mayor potencia de enfriamiento, o potencia de evaporización, es el R410A,

aunque ésta va acompañada de un gran consumo eléctrico que actúa

desfavorablemente a la hora del cálculo del CCOP para el mismo.

Respecto a coeficientes de enfriamiento, el amoniaco no se comporta tan

adecuadamente como lo hacía teóricamente, ganando el propano mucha fuerza como

refrigerante en este aspecto pues es el más eficiente en bajas temperaturas de

evaporación (-20ºC) y no se queda muy atrás respecto al R717 en las altas (15ºC). Su

comportamiento es muy parecido al prohibido R22 pues prácticamente se superponen

en la gráfica 46.

P á g i n a | 40


BIBLIOGRAFÍA

Propiedades R134A:

http://www.lyrefrigerant.es/1-r134a-refrigerant-1.html

Efecto invernadero, CFCs y HCFs:

http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2007/02/refrigerantes-sustitutos-al-r-12-un-

panorama-global-ante-el-cambio-climatico-2/

GWP:

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_GWP

http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/ipcc_tar/wg1/248.htm

http://unfccc.int/ghg_data/items/3825.php

R22:

http://www.elaireacondicionado.com/sustitucion_r22/

http://es.wikipedia.org/wiki/R22

R410A:

http://es.wikipedia.org/wiki/R-410A

Refrigerantes en general:

http://cienbas.galeon.com/02un_componente.htm

Propano:

http://www.gas-servei.com/images/Ficha-tecnica-R290.pdf

Temperatura de evaporación para aire acondicionado:

http://frionline.net/foro/salon-de-debates/3298-Cual-es-la-mejor-presi%C3%B3n-de-

evaporaci%C3%B3n-en-aire-acondicionado.html

refrigeración por compresión

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