tecnologias de enfriamiento-pilatowsky_ok

8/18/2019 Tecnologias de Enfriamiento-pilatowsky_ok

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CONTENIDO

1.0 INT'&-CCI/N 1.1 F'# 1.1.1 %ector social 1.1.2 %ector alimentario1.1. %ector indstrial 1.1.4 %ector sald y biológico1.1. %ector calidad de 3ida interior 1.1. Entretenimiento1.1.7 Impacto ambiental 1.2 ENF'I$(IENT 1. )'&-CCI/N &E F'#

1..1 (5T&% N$T-'$!E% 1..2 (5T&% $'TIFICI$!E%

1.4 NI6E!E% &E ENF'I$(IENT 1. (5T&% &E )'&-CCI/N &E F'#

1..1 (5T&% N$T-'$!E% 1..1.1 Enriamiento radiati3o

1..1.1.1 8alance radiati3o1..1.2 Enriamiento e3aporati3o

1..1.2.1 Enriamiento e3aporati3o mec9nico1..1.2.1.1 directo1..1.2.1.2 indirecto

1..1.2.1.2.1 enriamiento e3aporati3o en dosetapas. 1..1.2.1.2.2 enriamiento e3aporati3oregenerati3o. 1..1.2.1.2. enriamiento e3aporati3orecperati3o.

1..2 (5T&% $'TIFICI$!E% 1..2.1 &isolción de ciertos sol3entes en n sol3ente

1..2.1.1 (e:clas rerigerantes1..2.1.1.1 aga y sales1..2.1.1.2 9cidos y sales1..2.1.1. nie3e, sales y 9cidos

1..2.1.1.4 l;pansión de n gas pre3iamente comprimido1..2. Eecto termoel?ctrico1..2.7 &esmagneti:ación adiab9tica1..2.@ Eecto termoacAstico

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2.0 (5T&% &E )'&-CCI/N &E F'# 8$%$&% EN !$E6$)'$CI/N &E -N 'EF'I"E'$NTE

2.1 INT'&-CCI/N 2.1.1 'EF'I"E'$NTE%

2.1.1.1 %elección del rerigerante

2.1.1.2 )ropiedades de los rerigerantes2.1.1.2.1 )ropiedades t?rmicas

2.1.1.2.1.1 presión de 3apor 2.1.1.2.1.2 3olmen espec;ico y densidad 2.1.1.2.1. calor espec;ico2.1.1.2.1.4 calor latente de 3apori:ación

2.1.2 %I%TE($ &E C()'E%I/N &E 6$)' 2.1. %I%TE($ $ EECTBC()'E%I/N 2.1.4 %I%TE($ $ %'CI/N

.0 %I%TE($% &ITE'(% &% F-ENTE% &E TE()E'$T-'$

)$'$ !$ )'&-CCI/N &E F'#D.1 INT'&-CCI/N .2 (-IN$ F'I"'#FIC$ $ C()'E%I/N . T'% CIC!% &ITE'(% EN &N&E %E 'E-IE'E E!

%-(INI%T' &E ENE'"#$ (ECNIC$ E!5CT'IC$..1 (-IN$ '$N+INE

..2 (-IN$ F'I"'#FIC$ $ $I'E... (-IN$ F'I"'#FIC$ $ $I'E -%$N&-N C()'E%'

..4 T-8 '$N-E ..2.1 )rincipio de ncionamiento..2.2 $plicaciones

.. %E)$'$&' 8$'TIN .4 %I%TE($% F'I"'#FIC% TE'(E!5CT'IC%

.4.1 EFECT% TE'(E!5CT'IC% .4.1.1 EFECT %E8E+ .4.1.2 EFECT )E!TIE' .4.1. EFECT TG()%N

.4.2 CEFICIENTE "!8$! &E )E'$CI/N . 'EF'I"E'$CI/N TE'($CH%TIC$

..1 INT'&-CCI/N ..2 EFECT TE'($CH%TIC .. EE()!% &E (-IN$% TE'($CH%TIC$%

...1 'erigerador termoacAstico...2 Tbo de Goler

..4 CIC! TE'(&IN(IC &E -N$ )$'T#C-!$.. C!C-! &E -N 'EF'I"E'$&' TE'($CH%TIC .. EFICIENCI$ &E -N 'EF'I"E'$&' TE'($CH%TIC

4.0 %I%TE($% T'ITE'(% T'E% F-ENTE% &E TE()E'$T-'$D )$'$ !$ )'&-CCI/N &E F'#.

4.1 INT'&-CCI/N 4.2 C!$%IFIC$CI/N &E %I%TE($% T'ITE'(% &E )'&-CCI/N &E F'#.

4. CEFICIENTE% &E EFICIENCI$ &E !% %I%TE($% F'I"'#FIC% T'ITE'(%.

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4..1 CEFICIENTE "!8$! )E'$CIN$!, C) 4.4 %I%TE($ &E 'EF'I"E'$CI/N $ EECCI/N

4.4.1 %istema de rerigeración a eyección de 3apor.4.4.2%istema de rerigeración a eyección J compresión.

4.4.2.1 Introdcción

4.4.2.2. Coeiciente global de operación, C)

.0 %I%TE($% &E 'EF'I"E'$CI/N $ %'CI/N .1 INT'&-CCI/N .2 "ENE'$!I&$&E% . 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N

..1 $NTECE&ENTE% ..2 )')IE&$&E% &E! $8%'8ENTE

.. EE()!% &E %I%TE($% $8%'8ENTEB'EF'I"E'$NTE -TI!IK$&% EN !$ 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N

...1 %istema agaBbromro de litio

...2 %istema amoniacoBaga..4 CIC! &E 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N ..4.1 )rimeros desarrollos

..4.1.1Enriador de aga de Edmond Carr? ..4.1.2 'erigerador por absorción amoniacoBaga

de Ferdinand Carr?. ..4.1. 'erigerador dom?stico por absorciónamoniacoBaga de Ferdinand Carr?.

..4.2 CIC! CNT#N- ..4.2.1 &escripción..4.2.2 'ecperadores de calor sensible

..4.2. 'ectiicación de los 3apores del absorbente

..4.2.4 Eiciencia del ciclo de absorción..4.2. %posiciones teóricas del sistema dererigeración por absorción...4.2. %istema b9sico de ecaciones

..4.2..1 generador...4.2..2 rectiicador ..4.2.. condensador ..4.2..4 sbenriador ..4.2.. e3aporador ..4.2.. absorbedor ..4.2..7 precalentador ...4.2.@ bomba

..4. CIC! INTE'(ITENTE ..4..1 )rincipio de ncionamiento..4..2 Coeiciente de operación

..4.4 'E)'E%ENT$CI/N &E !% CIC!% 8%IC% &E 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N EN &IFE'ENTE% )!$N% TE'(&IN(IC% ..4.4.1 )lano termodin9mico de ld=am..4.4.2 )lano termodin9mico de (erLelB8osnMaLo3ic

..4. (5T& "'FIC &E C!C-! &E -N CIC! &E 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N ..4..1 8alance en el generador ..4..2 8alance en el rectiicador ..4.. 8alance en el condensador ..4..4 8alance en el absorbedor

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.. C$%% )$'TIC-!$'E% &E CIC!% &E 'EF'I"E'$CI/N )' $8%'CI/N....1 Ciclo de rerigeración a circito abierto...2 Ciclo de rerigeración a absorciónBdisión

...2.1Ciclo a absorción con atocirclación ocolmna de brbMas....2.2 Ciclo de rerigeración a absorciónB&isiónamoniacoBagaB=idrógenoD.

... Ciclo contino de rerigeración por absorción para el acondicionamiento de aire.

....1 %istema bromro de litioBaga....1.1 principio de ncionamiento

...4 Ciclo de rerigeración por resorción... Ciclos a mAltiples eectos... Ciclo de absorción con "$ ...7 Ciclo de rerigeración por absorción con nabsorbedor recperador de calor.

...@ Ciclo de rerigeración por absorción de medio eecto....O Ciclo &al ...10 Ciclo de eyectorBabsorción...11 Ciclo de absorción con membrana osmótica...12 Ciclo contino a dos etapas...1 Ciclo de rerigeración por compresiónBabsorció

...1.1 "eneralidades...1.2 Coeiciente global de operación

.4 'EF'I"E'$CI/N TE'(-#(IC$.4.1 Ciclo intermitente de rerigeración por absorciónsólidoBgas sistema termo


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TECN!"#$% &E ENF'I$(IENT

1.0 INT'&-CCI/N

1.1 E! F'#

Dentro de las m7ltiples acepciones 8!e tiene el término frío& las 8!e m9s tienen8!e ver con este fenómeno físico son. es !n término 8!e se aplica a losc!erpos c!ya temperat!ra es m!y inferior a la ordinaria del ambiente y a la 8!ese refiere a la sensación 8!e se e#perimenta por el contacto con c!erpos 8!eest9n a temperat!ra ba:a6Este término tiene !n car9cter relativo ya 8!e lo 8!e es o p!ede ser frío paraotros no lo es6 Sin embargo& se p!ede considerar como !n contenido de calor atemperat!ras ba:as& llegando a ser n!lo en la pro#imidad del cero en la escalaabsol!ta de temperat!ra6;a refrigeración es el nombre genérico con el 8!e se %a asignado la prod!cciónde frío y 8!e consiste en !n proceso o acoplamiento de varios de ellos 8!e demanera controlada& establecen dominios de temperat!ras ba:as para !na grandiversidad de aplicaciones6;a refrigeración en s! con:!nto impacta de manera importante a diferentessectores al social& alimentario& ind!strial& sal!d y biológico& en la calidad de vidainterior& en el de entretenimiento y de manera partic!lar al ambiente6

1.1.1 %ECT' %CI$!En el sector social la refrigeración impacta en la generación de empleos& en laconservación de perecederos y aseg!ramiento del abasto alimentario&manteniendo la calidad de los alimentos para dismin!ir el riesgo deenfermedades y a través del acondicionamiento de aire al crear espacios deestar y traba:o con características de temperat!ra y %!medad determinadas6

1.1.2 %ECT' $!I(ENT$'I En el sector alimentos los principales !s!arios de la tecnología de larefrigeración son. e8!ipo agrícola& pes8!ero& procesamiento de alimentos&

operación de c9maras frigoríficas& fabricación de %ielo& transporte refrigerado&e8!ipo comercial& resta!rantes y e8!ipo doméstico entre otros6

1.1. %ECT' IN&-%T'I$!Son inn!merables las ind!strias 8!e %acen !so de la refrigeración en s!s procesos de transformación& entre ellas& la ind!stria de la ingeniería mec9nica&la ind!stria del %!le& pl9stico& constr!cción y tratamiento de desec%os6

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1. !$ )'&-CCI/N &E F'#

;a prod!cción de frío es b9sicamente !n fenómeno endotérmico =absorción decalor>& en donde la f!ente de calor es el prod!cto o el espacio a enfriar& lo 8!e provoca el abatimiento de s! temperat!ra6 E#iste !na gran diversidad de

métodos de prod!cción de frío& los c!ales en s! mayoría est9n basados en lae#tracción de calor de !n c!erpo o !n espacio por intermedio de laabsorción del mismo por !n fl!ido = refrigerante>6 Con base a lo anterior e#isten métodos de enfriamiento basados en procesos tanto nat!rales comoartificiales

1..1 (5T&% N$T-'$!E% ;os procesos de enfriamiento nat!ral consisten en la pérdida de calor espont9nea& como oc!rre en los procesos de enfriamiento debido a la pérdidade calor por radiación =enfriamiento radiativo>& por convección0evaporación=enfriamiento evaporativo> o por procesos térmicos de cond!cción es decir por contacto entre los diferentes c!erpos6

1..2 (5T&% $'TIFICI$!E% ;os procesos de enfriamiento artificial est9n basados en la !tili?ación de procesos de m!y variada nat!rale?a& !tili?ando por lo general fl!idos c!yas propiedades termodin9micas los sit7an como grandes absorbedores de calor&los c!ales se conocen como refrigerantes& 8!ienes tienen como f!nción e#traer el calor de !n c!erpo de manera constante6 E#iste !na gran diversidad de procesos para prod!cir ba:as temperat!ras de manera artificial& procesos8!ímicos como la disol!ción de ciertos sol!tos en !n solvente& procesos físicos

como las transiciones de fase tales como la f!sión& evaporación& s!blimación&as c!ales oc!rren a ba:as temperat!ras& procesos p!ramente mec9nicos comola e#pansión de !n gas previamente comprimido& procesos dedesmagneti?ación& termoeléctricos y termoac7sticos& entre los m9s conocidos6

1.4 NI6E!E% &E ENF'I$(IENT

E#isten diferentes niveles de enfriamiento por deba:o de los valores de latemperat!ra ambiente.a> El enfriamiento propiamente dic%o 8!e va de los ) a los 4 , C& en donde sesit7a el bienestar %!mano y las temperat!ras alcan?adas por diferentes

procesos nat!rales como el enfriamiento evaporativo y el radiativo& el acondicionamiento del aire y la conservación de alg!nos prod!ctos perecederos6b> ;a refrigeración en donde comien?an a s!ceder los cambios de estado& principalmente del ag!a y en donde el abatimiento de la temperat!ra va desdela temperat!ra de 4 , C %asta cerca los , , C& en la mayoría de los casos nooc!rre !n cambio de fase6b> ;a s!brefrigeración& la c!al opera en !n dominio de temperat!ras 8!e vadesde , , C %asta cerca de 0 4* , C6 En este dominio se lleva a cabo laformación de %ielo6c> ;a congelación& en !n dominio de temperat!ras entre 04* y 0 3* , C& siendo!na técnica !tili?ada para la conservación prolongada de los prod!ctos perecederos6

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d> ;a s!bgelación& en !n dominio de temperat!ras los 0 3, a 0),, , C6e> la criogenia o generación de m!y ba:as temperat!ras& a valores cercanos al cero absol!to =0)2364( , C>& dominio !tili?ado para el est!dio de propiedades des!percond!ctividad y s!perfl!ide?& criocir!gía& conservación de esperma y conservación en general6

1. (5T&% &E )'&-CCI/N &E F'#.

1..1 (5T&% N$T-'$!E%

1..1.1 ENF'I$(IENT '$&I$TI6 El enfriamiento radiativo esta caracteri?ado por la pérdida de energía por medio de la emisión de radiación& c!yos mecanismos est9n determinados por la propia física de radiación& en donde la capacidad radiativa esta determinada por el poder emisivo de los c!erpos& el c!al depende a s! ve? de !na

propiedad característica de los c!erpos 8!e es la emisividad y de latemperat!ra a la c!arta potencia& interviniendo la constante de Stefan0Bolt?man6 Este poder emisivo 8!e se presenta de manera notoria d!rante lanoc%e y es efect!ado por m!c%os c!erpos 8!e p!eden alcan?ar en alg!noscasos m9s de ),C por deba:o de la temperat!ra ambiente es debido al intercambio de radiación infrarro:a entre los c!erpos y el ambiente6El est!dio de este fenómeno de enfriamiento %a cond!cido a diferentesaplicaciones en diversas regiones del m!ndo& en aplicaciones tales como.climati?ación de %abitaciones& rec!peración de la %!medad resid!al para finesagrícolas& prod!cción de %ielo& entre otras6;a emisión infrarro:a se acompaa de !n enfriamiento de los c!erpos radiantesc!ando el balance energético es favorable a la -ierra& es decir& 8!e radia m9senergía de la 8!e recibe por parte de la atmósfera en los períodos noct!rnos y c!ando se satisfacen las sig!ientes condiciones. a> temperat!ra atmosféricaba:a& b> mínimo contenido atmosférico de vapor de ag!a y bió#ido de carbono y c> !na altit!d del l!gar mayor a los ),,, m6

1..1.1.1 8alance radiati3o

C!ando la -ierra esta e#p!esta a la radiación solar& est9 absorbe& refle:a y dif!nde esta energía& siendo absorbida en mayor proporción por la atmósfera a

través del vapor de ag!a y el dió#ido de carbono y en menor proporción por las!perficie6 ;a contrib!ción térmica de la radiación solar& de cerca de 4,,, F'm) & crea !na diferencia en temperat!ra s!plementaria sobre !n receptor terrestre6En el caso de la radiación terrestre& el potencial térmico es relativamente pe8!eo6 ;as caídas en temperat!ra en !n radiador terrestre p!eden ser importantes& sin embargo& la energía radiada dismin!ye e medida 8!e latemperat!ra del c!erpo dismin!ye& por e:emplo. !n c!erpo 8!e se enc!entre a4, C radiar9 !na potencia de 3(2 G'm) & mientras 8!e si se enc!entra a H , C& sólo 4(1 G'm) 6;a pérdida neta de energía de los c!erpos terrestres d!rante los períodos

noct!rnos se p!ede definir como la diferencia Rn& entre la energía total emitida

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por los c!erpos radiantes& @c y la energía G 8!e reciben de la atmósfera&siendo.

W G R C n −= =464>

En general& la radiación emitida por !n radiador terrestre depende de s!temperat!ra y de s!s propiedades ópticas& en partic!lar de s! emisividad E C & lac!al le es característica6 Con el ob:eto de optimi?ar y favorecer la emisión&estos c!erpos deben tener !na alta emisividad y !na ba:a absortividad de laradiación& como los rec!brimientos blancos& al!minio anodinado& etc6 ;aradiación emitida por !n c!erpo es.

4T E G C C σ = =46)>

en donde& representa la constante de Step%an Bolt?mann6

;a energía emitida por la atmósfera es.

4T E W T σ = =463>

;a emisividad de la atmósfera es f!nción de la temperat!ra y de la %!medad relativa del aire& los c!ales varían con la altit!d6;a diferencia R n p!ede alcan?ar valores m9#imos cercanos a los 4*, G'm) ennoc%e claras y con poca %!medad& para fines de !tili?ación de esteenfriamiento entre 1, y 4,, G'm) 6

;a fig!ra 464& representa !n sistema en donde se aplica el enfriamientonoct!rno para la climati?ación de espacios6

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Aig!ra 464 Sistema de enfriamiento radiativo

1..1.2 ENF'I$(IENT E6$)'$TI6

Este tipo de enfriamiento es m!y conocido& y m!y frec!ente c!ando las personas %!medecen s! c!erpo y se e#ponen al aire& en donde sienten !nasensación de frío6 Esto es debido a 8!e el aire y el calor del c!erpo evaporan el ag!a y al perder calor n!estro c!erpo e#perimenta !n enfriamiento y el consec!ente enfriamiento6El proceso de evaporación de ag!a se !tili?a para prod!cir !n enfriamiento&c!ando esta se pone en contacto con el aire6 El potencial de enfriamiento esf!nción de la presión de vapor del ag!a en el aire y se incrementa c!ando ladiferencia entre la temperat!ra de b!lbo seco y la de b!lbo %7medo a!menta6El enfriamiento evaporativo se !sa de manera nat!ral c!ando se !san sacosde ag!a o depósitos sobre los tec%os de las casas& este efecto act7a de dosmaneras& !na protegiendo la s!perficie contra la radiación !ltravioleta y la otraenfriando por medio de la vapori?ación del ag!a6 El viento es !n factor importante para incrementar la vapori?ación del ag!a& así como la diferenciaentre presiones de vapor6Este principio de enfriamiento %a sido !tili?ado en las regiones desérticas devarias formas& a> !tili?ando telas absorbentes de ag!a& las c!ales se colocabanfrente a las ventanas& prod!ciendo la %!midificación y el enfriamiento del aire as! paso& b> !tili?ando las torres de viento& las c!ales aprovec%an los vientos

dominantes y las diferencias en temperat!ras entre el día y la noc%e paracirc!lar aire frío a través de !na vivienda6 -iene la apariencia de !na torreadosada a la casa6 ;a boca s!perior esta diseada para captar el viento y la

RADIADOR NOCTURNO

ALMACEN

DE AGUA

FRÍA

INTERCAMBI

ADOR

AIRECALIENTE

VENTILAD

OR

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inferior desemboca al sótano o a !n primer piso6 En el interior las p!ertas p!eden abrirse o cerrarse para poder controlar el aire fresco6 Estas torresoperan por medio del potencial provocado por la densidad del aire6 la entradadel aire se coloca !na f!ente de ag!a para %!midificar y enfriar el aire6 C>Integración de f!entes en patios centrales para provocar espacios en donde el

aire p!eda circ!lar y ponerse en contacto con el ag!a para s! enfriamiento6En las noc%es sin viento& la torre se comporta como !na c%imeneas!ccionando el aire %acia el tiro y e#trayéndolo6 Esto es debido a 8!e d!ranteel día las paredes de la torre se calientan& dado 8!e almacenan y trasmitencalor al aire6 C!ando el aire se calienta dismin!ye s! densidad y crea !n tiroind!cido& prod!ciendo la circ!lación del aire fresco se reali?a a través de lasventanas y p!ertas& saliendo de la %abitación por la c%imenea6En las noc%es con viento& el aire es for?ado a través de la misma c%imenea ensentido contrario6El enfriamiento evaporativo p!ede prod!cirse de manera artificial por medio desistemas mec9nicos& en donde el enfriamiento evaporativo p!ede ser directo o

indirecto y este a s! ve? p!ede llevarse. a> en dos etapas& b> regenerativo o c>rec!perativo6

1..1.2.1 Enriamiento e3aporati3o mec9nico.

1..1.2.1.1 Enriamiento e3aporati3o directo. Jor medio de !n ventilador se%ace circ!lar el aire caliente y seco a través de !na membrana de fibras%7medas en donde se %!midifica y enfría& introd!ciéndolo en el interior de la%abitación6 ;a membrana se %!medece de manera contin!a por medio de ag!a8!e se %ace circ!lar con !na pe8!ea bomba6 En esto sistemas se tiene 8!erec!perar el ag!a 8!e se pierde por arrastre del aire6

1..1.2.1.2 Enriamiento e3aporati3o indirecto6 En este caso la temperat!radel aire se acercar9 a la temperat!ra de b!lbo %7medo& o sea a la del lí8!idofrío& por lo 8!e la temperat!ra de b!lbo %7medo deber9 ser bastante ba:a& estos!ele oc!rrir en climas m!y secos6 ;a forma cl9sica de este proceso es circ!lar el ag!a enfriada en !na torre de enfriamiento a través de !n intercambiador decalor ag!a0aire& a partir del c!al el aire de la casa se recirc!la6

46*646)646)64 Enfriador evaporativo en dos etapas6 En este sistema el aire se pre0enfría sin %!midificarlo antes de %acerlo pasar a través del enfriador

evaporativo6 El aire se %ace pasar a través de !na torre de enfriamiento fl!ye através de !n intercambiador de calor del tipo ag!a0aire y enfría el aire sina!mentar s! %!medad& pasando posteriormente al enfriador evaporativo6 El pre0enfriamiento se p!ede lograr !sando por e:emplo !n lec%o rocoso el c!al se enfría por la noc%e& el c!al enfría a s! ve? el aire antes de ponerse encontacto con el enfriador evaporativo6 Debido a la gran s!perficie del lec%orocoso& la temperat!ra del aire es m!y cercana a la de las rocas6

46*646)646)6) Enfriamiento evaporativo regenerativo6 En este sistema el aire del e#terior pasa por el intercambiador de calor& de a%í pasa a la %abitación y esteaire pre0enfriado es el 8!e entra al enfriador evaporativo 8!e provee el lí8!ido

frío 8!e es bombeado a través del intercambiador de calor regenerando s!scondiciones de ba:a temperat!ra6 Ka 8!e el aire del interior de la casa 8!e pasa

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por el enfriador evaporativo es pre0enfriado y no %!midificado& el enfriador provee de lí8!ido m9s frío al intercambiador de calor ba:ando la temperat!radel aire 8!e entra en la casa6 En este tipo de enfriamiento evaporativo se p!eden !tili?ar torres de enfriamiento o lec%os de piedra6

46*646)646)63 Enfriamiento rec!perativo6 Este sistema !sa !na serie de t!bos porosos de material corr!gado como intercambiador de calor6 El aire e#terior seenfría al pasar por los t!bos 8!e a s! ve? se enc!entran fríos por recibir directamente el aire& 8!e prod!ce !n enfriador evaporativo mec9nico&rec!perando inmediatamente s! capacidad de enfriar6

Una de las aplicaciones de este tipo de enfriamiento es como s!midero decalor para los procesos de condensación6 Normalmente se %!medece en formacontin!a la s!perficie de condensación& la c!al en !n sistema abierto& se provoca la evaporación del ag!a en s! s!perficie enfri9ndola y contrib!yendo ame:orar las condiciones del proceso 8!e si sólo se tratara de !n enfriamiento

con aire6

;a fig!ra 46) representa !n sistema mec9nico de enfriamiento evaporativo parael acondicionamiento de aire6

Aig!ra 46) Sistema mec9nico de enfriamiento evaporativo. & "alla%!midificadora& D;& distrib!idor de lí8!ido& B& bomba& A& flotador6

B

F

VENTILADOR

DL

H

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1..2. (5T&% $'TIFICI$!E% &E )'&-CCI/N &E F'#

1..2.1 &I%!-CI/N &E CIE'T% %!-T% EN -N %!6ENTE.

Jor lo general consiste en la disol!ción de ciertas sales en el ag!a& por e:emploel nitrato de amonio 8!e ba:o ciertas concentraciones dis!elto en ag!a prod!ce!na salm!era en donde la temperat!ra p!ede descender %asta cerca de 04* , C& como res!ltado de la disol!ción6 Jor lo general este método no es deempleo com7n6Desde el siglo LI& se %abía desc!bierto el efecto endotérmico al me?clarseciertas sales con alg7n disolvente o %ielo6 En Italia en 4*3,& se traba:ó con !name?cla de s!lfato de potasio dis!elta en ag!a& siendo esta la primera ve? reali?ado en E!ropa6 Ka en el siglo $LII las me?clas endotérmicas se !tili?abanen los laboratorios científicos para enfriar diversos prod!ctos 8!ímicos6 En el siglo $I$ la me?cla clor!ro de sodio =sal com7n> con %ielo se !tili?ó

ampliamente& logr9ndose abatimientos en las temperat!ras de %asta ), C6 Enel ao 4++(& -6B6 ;ig%tfoot desc!brió en ;ondres !n completo inventario deme?clas refrigerantes y no f!e sino %asta 41), 8!e& M6 @rés& patentó enEspaa !n sistema para conservación de alimentos& !tili?ando las me?clasrefrigerantes6Se conoce el efecto endotérmico& el c!al depende del tipo de !niónintermolec!lar entre el sol!to y de la nat!rale?a fisico8!ímica del solvente6 Esteefecto se ve caracteri?ado entre otras cosas por. la entalpia diferencial 8!erelaciona el efecto térmico de la disol!ción ba:o !na cierta presión y temperat!ra& por el n7mero de moles de sal 8!e p!eden disolverse a !natemperat!ra y presión determinadas y al intervalo de concentraciones en el c!al p!ede e#istir la disol!ción6 -ambién se incl!ye el n7mero de fasesformadas 8!e intervienen en el intervalo de concentraciones6En las me?clas de sales con ag!a o %ielo& se absorbe calor& c!ando el calor debido a la disol!ción de la sal es negativo< si no e#iste ning7n aporte de calor&la temperat!ra de la sol!ción dismin!ye6 El abatimiento de la temperat!ra 8!ese p!ede alcan?ar depende de la relación de las cantidades de las s!bstanciasme?cladas y de s! temperat!ra inicial6Jara me?clas con %ielo& es necesario molerlo finamente o emplear nieve6 Conel empleo de este en l!gar de ag!a& se obtiene !n enfriamiento m9simportante& debido a 8!e el calor de disol!ción negativo de la sal f!ea!mentado por el calor de f!sión del %ielo6 El abatimiento de la temperat!raesta limitado por el p!nto e!téctico en el c!9l la sol!ción se congela6Si se congela !na sol!ción a s! p!nto e!téctico =crio%id9tico> por e#traccióne#terior de calor& se obtiene !n %ielo crio%idr9tico o e!téctico& en donde latemperat!ra de f!sión y el calor de f!sión son diferentes seg7n la nat!rale?a dela sol!ción6 ;a temperat!ra permanece constante d!rante !n largo tiempo&mientras 8!e toda la sal no este dis!elta y el %ielo f!ndido6;os crio%idratos enc!entran !na aplicación pr9ctica en la refrigeración deaparatos y recipientes de transporte& c!ando se trata de mantener ba:astemperat!ras& por e:emplo en el transporte y la venta de %elados y en lae#pedición de prod!ctos congelados6

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;a sol!ción crio%idr9tica se congela en cart!c%os refrigerantes por s!spensiónen !na sol!ción salina y la temperat!ra de esta sol!ción salina se debeencontrar por deba:o del de la sol!ción crio%idr9tica6El comportamiento de estas me?clas se p!ede e#plicar !tili?ando !n diagramade e8!ilibrio como el de la fig!ra 3& en donde se representan las diferentes

fases e#istentes en f!nción de la temperat!ra y la concentración de la sal en el disolvente6

Aig!ra 463 Diagrama de e8!ilibrio de fases de sol!ciones

El p!nto 4& representa !na sol!ción con !n contenido de sal del ,& a lo largo

de la línea 40)& nos da las diferentes temperat!ras en donde se forman precipitados6 Si se contin7a %asta el p!nto ) se obtiene !n descenso contin!ode la temperat!ra en donde se prod!ce la primera precipitación6 partir deeste p!nto si se a!menta la concentración a!menta la temperat!ra6 ;a c!rvasig!e ascendiendo %asta el p!nto 3& en donde se tiene 4,, de concentración6;a c!rva 40)03& divide el diagrama en diferentes ?onas6 ;a ?ona por encima dela c!rva de e8!ilibrio& siempre e#iste !na sol!ción lí8!ida6 ;a ?ona por deba:ode la línea 40)& e#isten cristales de sal y sol!ción sat!rada& mientras 8!e por deba:o de la línea )03& se enc!entran cristales de sal y sol!ción sat!rada6 Sedice 8!e !na sol!ción est9 sat!rada c!ando la temperat!ra de la sol!ción parala concentración correspondiente est9 en la c!rva de e8!ilibrio6 ;a tablasig!iente da alg!nos e:emplos de me?clas refrigerantes endotérmicas6

SOLUCIÓN 3

1

HIELO SALHIELO SAL Y YLÍQUIDO 2 LÍQUIDO

PUNTO CRIOHIDRÁTICO

HIELO Y SALMUERA SAL Y

SALMUERASÓLIDA SÓLIDA

TEMPERATURA

CONCENTRACIÓN, %

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1..2.1.1 (EKC!$% 'EF'I"E'$NTE%.1..2.1.1.1 $ga y sales

Componentes Jartes en peso Caída de temperat!rade C a C g!a 4( / 4, 0 4)

Sol!ción amoniacal * Salitre *

g!a 4 / 4, 0 4* Nitrato de amonio 4

g!a 4( / 4, 0 4* S!lfato de sodio +

Salitre * Sol!ción amoniacal *

g!a 4 / 4, 0 )) Carbonato de sodio 4Nitrato de amonio 4

1..2.1.1. 2. cidos y sales

Componentes Jartes en peso Caída de temperat!ra

de C a C cido clor%ídrico 1 / 4, 0 4+ S!lfato de sodio +

Ocido nítrico ) Nitrato de sodio 3 / 4, 0 ),

Ocido s!lf7rico / 4, 0 ), S!lfato de sodio *

Ocido nítrico / 4, 0 )3S!lfato de sodio (

Sol!ción amoniacal Salitre )

Ocido nítrico / 4, 0 )* Aosfato de sodio 1

Ocido nítrico / 4, 0 ,Nitrato de amonio * S!lfato de sodio (

16


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1..2.1.1.. Nie3e, sales y 9cidos

Nieve ) , 0 ), Sal marina 4

Nieve * , 0 )* Sal marina ) Sol!ción amoniacal 4

Nieve ) , 0 )+ Sal marina 4, Sol!ción amoniacal * Salitre *

Nieve 3 , 0 3,

Ocido s!lf7rico )

Nieve 4) , 0 3) Sal marina * Nitrato de amonio *

Nieve + , 0 3) Ocido clor%ídrico *

Nieve 2 , 0 3* Ocido nítrico

Nieve , 0 , Clor!ro de calcio *

Nieve ) , 0 * Clor!ro de calciocristali?ado

3

Nieve 3 , 0 ( Jotasa

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1..2.1.1.4. !; 0 por !na me?cla e!téctica de

n!merosas sales y de ag!a& en !na concentración bien definida del sol!to en el solvente& en donde intervienen los calores latentes de f!sión0 la temperat!ra de!na me?cla e!téctica 8!e se f!nde o se congela& permanece constante 0 endonde las temperat!ras p!eden ser inferiores a , , C6

1..2. 6$)'IK$CI/N.

En este método se !tili?a el calor latente de evaporación& 8!e por lo general esm9s grande 8!e el de f!sión6 Este procedimiento es el mas !tili?ado a nivel ind!strial& comercial y doméstico6 El fl!ido 8!e se vapori?a para la prod!cciónde frío se le conoce como frigorígeno o refrigerante6 En este caso se p!ede

obtener !n sistema de enfriamiento abierto& en donde el vapor res!ltante de lavapori?ación no se rec!pera& sobre todo en los casos en donde el refrigeranteno es caro y no presenta problemas de impacto ambiental& como por e:emplo el !so del nitrógeno lí8!ido y refrescar el aire caliente y seco por medio de lavapori?ación directa del ag!a en el aire6En el sistema de enfriamiento cerrado& el vapor del refrigerante& generalmentecostoso y alg!nas veces tó#ico& se recirc!la con el ob:eto de volverlo a lic!ar para vapori?arlo de n!evo6 Este tipo de sistema esta formado por !n recipienteaislado térmicamente& el c!al limita el espacio frío& y en c!yo interior se coloca!n intercambiador de calor& en donde se introd!ce el refrigerante lí8!ido el c!al se vapori?a a !na temperat!ra - , inferior a la temperat!ra del interior - r a la

c!al se 8!iere mantener el espacio6 este intercambiador se le conoce comoevaporador6

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1..2.4. %-8!I($CI/N

;a s!blimación es el cambio del estado sólido al estado vapor& este calor latente es m9s grande 8!e el de vapori?ación& debido a 8!e contiene adem9s

del calor latente de vapori?ación el de f!sión6 Normalmente se !tili?a en !nsistema abierto ba:o presión atmosférica& siendo el refrigerante mas !tili?ado el an%ídrido carbónico =CQ) >& el c!al en estado sólido tiene !na temperat!ra detransición de 0 2+6* , C = %ielo seco>6

1..2.. E)$N%I/N &E -N "$% )'E6I$(ENTE C()'I(I&

Esta e#pansión se p!ede reali?ar en.a>60 En !n motor de gas comprimido& en donde se e#trae la energía mec9nicadel gas 8!e se e#pande6 Esta e#tracción de energía provoca !n enfriamientointenso del gas e#pandido6

b>60 En !na v9lv!la& en donde el gas 8!e e#perimenta esta e#pansión=e#pansión Mo!le0-%omson> no prod!ce ning7n traba:o al e#terior6 Esteenfriamiento es limitado& ya 8!e seg7n el estado termodin9mico del gas antesde la e#pansión& el gas se p!ede enfriar& recalentarse o permanecer a !natemperat!ra constante desp!és de esta e#pansión6El primer procedimiento se !sa m!y frec!entemente para la prod!cción de fríoa m!y ba:as temperat!ras =criogenia> inferiores a los 4), & como en el casode la lic!efacción del aire& del %idrógeno& del %elio& etc6 Como e:emplo de estemétodo& se tiene en t!bo Ran8!e& en donde se e#pande el aire comprimido en!n t!bo6 ;a inyección del gas 8!e se efect7a tangencialmente a la s!perficieinterna del t!bo provoca la formación de !n torbellino r9pido en donde la parte

central se enfría y la periférica se calienta6Qtro método !tili?ado es la m98!ina frigorífica a aire& la c!al !tili?a !ncompresor y !na t!rbina para comprimir y e#pandir el gas& provocando el enfriamiento en el aire6 Estos dos casos de e#pansiones& se trataran con mayor amplit!d en los sistemas ditermos6

1..2.. EFECT TE'(E!5CT'IC EFECT )E!TIE'D

El enfriamiento prod!cido por medio del efecto termoeléctrico se debe al pasode !na corriente eléctrica en la :!nta de dos metales diferentes6 El efectotermoeléctrico conocido con el nombre de Jeltier& esta relacionado con las

interacciones entre el fl!:o de calor y el fl!:o eléctrico en sólidos cond!ctores y semicond!ctores6 Es decir 8!e %ay !n fl!:o de calor proporcional a la corrienteeléctrica aplicada y depende de las características del material6 ;a refrigeracióntermoeléctrica es !na transferencia de calor 8!e !tili?a los cambios de nivelesde energía de las cargas eléctricas para transportar energía térmica6 ;adirección de la corriente determina el fenómeno 8!e oc!rre en la :!ntabimet9lica< calentamiento o enfriamiento6 Este efecto de enfriamiento se tratar9con m9s detalle en el tema de sistemas ditermos6

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1..2.7. &E%($"NETIK$CI/N $&I$8TIC$

El fenómeno magnetotérmico esta basado en la transición ferromagnética 0 paramagnética6 ;a desmagneti?ación de !na s!stancia paramagnética la c!al se aísla térmicamente& provocando !na caída de temperat!ra6 En este caso se

!tili?a !n crióstato magnético6 En el caso de la prod!cción de ba:astemperat!ras !tili?ando la desmagneti?ación se !san como se mencionós!bstancias paramagnéticas& las c!ales al colocarse en !n campo magnéticono !niforme estas s!bstancias se despla?an en el sentido de los camposcrecientes6 En !n campo magnético !niforme este tipo de s!bstancias sedespla?an en el sentido de las líneas de f!er?a6 Como e:emplos se tiene al s!lfato de gadolino y diferentes al!mbres6 Este fenómeno se describir9 conm9s detalle en los sistemas ditermos

1..2.@ EFECT TE'($CH%TIC

En general& la termoac7stica& est!dia la interacción entre la ac7stica y losfenómenos térmicos6 El efecto de poder generar !n gradiente de temperat!ra a partir de !na onda sonora& comen?ó a ser !tili?ado en la constr!cción derefrigeradores en la década de los aos oc%enta6 Estas m98!inas son m!y simples& no tienen parte móviles y son pe8!eos6El refrigerador termoac7stico consiste en !n resonador de !n c!arto delongit!d de onda& 8!e tiene en s! e#tremo abierto y !n parlante encargado degenerar !na onda ac7stica estacionaria dentro de este6 ;a forma en 8!e operaeste tipo de refrigerador se describir9 con m9s detalle en la sección desistemas de refrigeración ditermos6

20


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2.0 (5T&% &E )'&-CCI/N &E F'# 8$%$&% EN !$ E6$)'$CI/N &E -N 'EF'I"E'$NTE.

2.1 INT'&-CCI/N

En la refrigeración ind!strial& comercial y doméstica la mayor parte de lasm98!inas frigoríficas operan en !n ciclo cerrado& ba:o el principio de prod!cción de frío basado en la evaporación del refrigerante lí8!ido6Estos métodos se diferencian por la forma en 8!e los vapores 8!e se prod!cenen el evaporador son e#traídos6 Dentro de estos sistemas tenemos los ciclosde compresión& de eyecto0compresión y de sorción6Jara el f!ncionamiento de estos sistemas basados en la evaporación de !nfl!ido& intervienen las s!bstancias llamadas refrigerantes& en donde en lamayoría de los casos& s!fren !na transformación de cambio de fase6

2.1.1 'EF'I"E'$NTE%

El refrigerante es !na s!bstancia 8!e es capa? de prod!cir !n efecto deenfriamiento sobre el medio 8!e lo rodea& sea !n espacio o !n c!erpo y 8!e demanera general fl!ye y evol!ciona en !n ciclo al interior de !n circ!ito de !nam98!ina frigorífica6 En el caso de prod!cción de frío por medio devapori?ación& estas s!bstancias deben tener !na temperat!ra de eb!llición& a presión normal& inferior a la temperat!ra ambiente6

2.1.1.1 %E!ECCI/N &E! 'EF'I"E'$NTE

Jara cada !no de los diferentes métodos de prod!cción de frío e#isten paradeterminadas condiciones de f!ncionamiento !no o varios refrigerantesapropiados& 8!e garanti?an !n óptimo de eficiencia y seg!ridad& en relacióncon s!s propiedades 8!ímicas y físicas& e#istiendo ciertas condiciones mínimasy propiedades 8!e deben satisfacer& tale como.a>60 Comportamiento indiferente frente a los materiales !tili?ados6El refrigerante no debe combinarse o reaccionar con los materiales !tili?ados para la constr!cción de la m98!ina frigorífica6B>60 Estabilidad 8!ímica6

El refrigerante no debe de s!frir ning7n tipo de transformación 8!ímica& dentrodel dominio de temperat!ras y presiones de operación6C>60 !sencia de to#icidad6Es importante 8!e el refrigerante no tenga efectos nocivos sobre la sal!d& ni sobre el medio6 No todos los refrigerantes satisfacen esta condición6D>60 No debe ser e#plosivo ni inflamable6Jor motivos de seg!ridad se e#ige 8!e el refrigerante este operando f!era delos dominios de peligrosidad& en lo referente a los riesgos de e#plosión y flamabilidad6E>60 A9cil detección de f!gas6Jor aspectos de seg!ridad& operación y economía& es necesario 8!e la

circ!lación del refrigerante se realice en cond!ctos %erméticos y 8!e las f!gas

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en caso de oc!rrir deben ser inmediatamente detectadas& prefiriéndosea8!ellos refrigerantes 8!e tengan !n olor penetrante6A>60 Ning7n efecto sobre el l!bricante6Si en el circ!ito del ciclo de refrigeración se !tili?a alg7n tipo de l!bricante& el refrigerante no le debe ocasionar ning7n cambio 8!ímico& ni infl!ir en s!s

propiedades l!bricantes6@>60 ;a presión de evaporación debe ser s!perior a la presión atmosférica6En el caso de la refrigeración por vapori?ación& la presión de evaporación del refrigerante& debe ser dentro de lo posible& algo s!perior a la presiónatmosférica6 De esta manera se evita la introd!cción de aire al interior del sistema6>60 Ba:a presión de condensación6;a generación de altas presiones de condensación& re8!iere de estr!ct!ras8!e soporten esta presión& a!mentando el costo6 Se s!giere traba:ar el refrigerante a condiciones de operación no m!y pró#imas del p!nto crítico& conel ob:eto de reali?ar mas f9cilmente la condensación6

I>60 @ran potencia frigorífica específica6Entre mayor sea s! capacidad o potencia de enfriamiento& se re8!erir9 !namenor cantidad de refrigerante en circ!lación para !na potencia deenfriamiento determinada6M>60 Costo y disponibilidad6El refrigerante no debe ser m!y costoso y debe estar disponible en el mercado&sobre todo si se re8!iere de !n abastecimiento contin!o& como en el caso delos ciclos de refrigeración abiertos6E#isten refrigerantes inorg9nicos como el ag!a y el amoniaco y refrigerantesorg9nicos como los %idrocarb!ros %alogenados

2.1.1.2 )')IE&$&E% &E !% 'EF'I"E'$NTE%

2.1.1.2.1 )ropiedades t?rmicas.;as propiedades térmicas en general& permiten conocer el comportamiento delas s!bstancias frente a los cambios de estado o bien el an9lisis de losdiferentes factores e#ternos 8!e intervienen para 8!e estos cambios se prod!?can6

)64646)6464 Jresión de vapor6Jara comp!estos p!ros& el e8!ilibrio entre las fases del refrigerante lí8!ido y el refrigerante vapor& permite la determinación de las temperat!ras deevaporación y de condensación& así como de las presiones en f!nción de estastemperat!ras6

)64646)646) Lol!men específico y densidad El vol!men específico es el valor inverso de la densidad& y ambos varían enf!nción de la temperat!ra y de la presión& siendo m9s importante este efecto si el refrigerante se enc!entra en fase vapor6 Conociendo el vol!men específicose p!ede determinar la cantidad de vapor generado por la vapori?ación de !nacierta masa de refrigerante lí8!ido6

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)64646)6463 Calor específico El calor específico indica la cantidad de calor necesaria para absorberse odisiparse& para obtener la variación de !n grado de temperat!ra de !na ciertamasa de !na s!stancia6 Este valor es m!y importante sobre todo para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor6

)64646)646 Calor latenteEl calor latente indica la cantidad de calor necesaria por !nidad de masa de las!stancia& para efect!ar !na transición de !n estado de agregación a otro6 Enel caso de los refrigerantes e#isten grandes variaciones de estos calores6;a tabla 4& representa propiedades físicas y térmicas de alg!nos refrigerantes6

-abla )64 Jropiedades de los refrigerantes m9s com!nes

2.1.2 %I%TE($ &E C()'E%I/N &E 6$)'.En !n ciclo cerrado de refrigeración& los vapores son aspirados y comprimidos por medio de !n dispositivo mec9nico llamado compresor6

2.1. %I%TE($ $ EECTBC()'E%I/N.En este caso los vapores son aspirados por medio de !n eyector& en donde el refrigerante %ace la f!nción de vapor motri? y !na depresión en el eyector permite s! aspiración a ba:a presión6

23


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2.1.4 %I%TE($ $ %'CI/N.;os vapores son retenidos por !n material lí8!ido o sólido& lo 8!e provoca s!aspiración a la salida del evaporador6E#isten dos formas por las c!ales estos materiales p!eden fi:ar a los vapores&!no en donde el vapor se fi:a al material por medio de !niones de nat!rale?a

física& res!ltando en !n fenómeno s!perficial& al 8!e se conoce con el nombrede adsorción& en donde por lo general oc!rre entre !n sólido y !n vapor&a!n8!e este fenómeno se p!ede presentar también a!n8!e con menosfrec!encia entre !n lí8!ido y !n vapor6 En la adsorción el material 8!e adsorbese le conoce como adsorbente y al material adsorbido como adsorbato6 ;a otraforma es 8!e el vapor se sol!bili?a al interior del material y en donde posteriormente oc!rre !na reacción 8!ímica6 Este fenómeno se conoce con el nombre de absorción y oc!rre tanto en materiales lí8!idos como en sólidos6 Enla absorción& el material 8!e absorbe se le conoce como absorbente y el material absorbido como absorbato6En este tipo de sistema el refrigerante en forma vapor es adsorbido o

absorbido por !n lí8!ido o sólido& a la salida del evaporador6

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.0 %I%TE($% &ITE'(% &% F-ENTE% &E TE()E'$T-'$D )$'$ !$ )'&-CCI/N &E F'#.

.1 INT'&-CCI/N

Estos sistemas f!ncionan entre !na f!ente fría a - E & en donde absorben el calor y !na f!ente caliente a - C en donde disipan el calor al medio ambiente6En este caso las temperat!ras - E y - C & corresponden en el caso de !n régimeninterior a las condiciones de transformación del refrigerante =evaporación y condensación respectivamente>6 Si se refiere a !n régimen e#terior& seconsideran las temperat!ras de los fl!idos e#teriores por intermedio de losintercambiadores de calor& tanto del fl!ido a enfriar& a !na temperat!ra - R &como del fl!ido de enfriamiento =ag!a o aire ambientes> a !na temperat!ra - f &

el c!al se !tili?a para disipar los calores de condensación y loscorrespondientes a los de disol!ción o reacción 8!ímica6;os sistemas frigoríficos ditermos incl!yen los ciclos de compresión mec9nicade vapores y los basados en el principio de Jeltier6 Jara aseg!rar el f!ncionamiento de estos ciclos es necesario el s!ministro contin!o de energíamec9nica o eléctrica6El coeficiente de eficiencia frigorífica de estos ciclos& se p!ede representar conla relación.

ε f 0

00

QQ

Q

W

Q

S

f −==ε =364>

en donde T, es el calor absorbido por el refrigerante =efecto refrigerante> & T Ses el calor disipado y G es el traba:o absorbido por la m98!ina frigorífica6Esta relación es v9lida independientemente si el sistema es ideal o no6 Jara el ciclo ideal& si aplicamos el teorema de Cla!si!s& obtenemos.

0

0

0 =+S

S

T

Q

T

Q=36)>

considerando los signos.

S

S

T

Q

T

Q=

0

0 =363 >

entonces la relación de eficiencia para !na m98!ina diterma perfecta 8!edae#presada como.

1

1

0

0

0

−=

−=

T

T T T

T

S S

f ε

=36 >

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.2 (-IN$ F'I"'#FIC$ $ C()'E%I/N.

;a fig!ra 364& representa !na m98!ina frigorífica a !na etapa de compresión6Esta est9 formada por !n a>60 evaporador E en donde el refrigerante se

evapora ba:o la presión de evaporación J E 6 ;os vapores formados por logeneral se sobrecalientan !n poco a la salida de este intercambiador6 b>60 !ncompresor mec9nico C& 8!e aspira ba:o la presión J E los vaporessobrecalentados y los recomprime a la presión J C correspondiente a latemperat!ra de sat!ración del s!midero de calor& normalmente referida a latemperat!ra de condensación6 c>60 Un condensador C en donde el vapor sobrecalentado se lic!a a - C y el lí8!ido se p!ede s!benfriar6 El enfriamientodel condensador p!ede efect!arse con fl!idos ambientales como el ag!a y el aire6 d>60 Una v9lv!la de e#pansión L& la c!al recibe el refrigerante lí8!ido y loe#pande de la J C a la presión J E & siendo !na e#pansión isoent9lpica& en dondedismin!ye la calidad del vapor6 El lí8!ido pasa n!evamente al evaporador y de

esta forma se inicia !n n!evo ciclo de refrigeración6Si se desea dismin!ir a7n m9s la temperat!ra entre H), C y H*, , C se p!edenaplicar ciclos a dos etapas de compresión& y si se re8!ieren a7n temperat!rasm9s ba:as& entre H(, y H4(, , C es posible !tili?ar estos ciclos en forma decascada6 Aig!ra 364 Representación de !n ciclo de refrigeración por compresión

mec9nica de vapores6

26

T

TE

TC

S

L!"# $"%#&'(#)*+!

C,-.("%*+!

E/"-"!&,.(*-#(*, $"-,*-*"!&,

E#.,(#$,(

C,-.("%,(

QE

QC

/'/# $"".#!%*+!

C,!$"!%#$,(

E.#!%*+!

C,!$"!%#)*+!

E#.,(#)*+!


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. T'% CIC!% &ITE'(% EN &N&E %E 'E-IE'E E!%-(INI%T' &E ENE'"#$ (ECNIC$ E!5CT'IC$.

..1 CIC! '$N+INE

Un ciclo alternativo para la prod!cción de frío !sando energía térmica es el ciclo de la m98!ina térmica Ranine& la c!al recibe calor de !na f!ente térmica&la c!al convierte esta energía a traba:o mec9nico el c!9l es !tili?ado paraoperar !n sistema convencional de refrigeración por compresión mec9nica devapor6 El es8!ema b9sico esta representado en la fig!ra *6 El calor ess!ministrado al generador de vapor por medio de c!al8!ier f!ente térmica o !nsistema de almacenamiento térmico6 En el generador se lleva a cabo lavapori?ación del fl!ido& por lo general ag!a< el vapor se separa& si esnecesario& del lí8!ido y pasa a !na t!rbina en donde es e#traído el traba:omec9nico6 Dependiendo del fl!ido de traba:o !tili?ado& el fl!ido p!ede entonces

pasar a través del generador donde se disipa algo de energía antes de fl!ir al condensador antes de s! lic!efacción6 El condensado se bombea %acia !nregenerador antes de regresar al generador6 Este regenerador sirve parame:orar la eficiencia del sistema por medio de la transferencia de energía!tili?able del fl!ido a la salida de la t!rbina a la alimentación del generador6El traba:o mec9nico obtenido de esta m98!ina térmica se !sa para el f!ncionamiento de !n compresor de forma directa o a través de !n sistemamotor0generador eléctrico6 El refrigerante se comprime !sando !n e8!ipoconvencional para prod!cir !na alta temperat!ra y alta presión en el refrigerante& el c!9l se condensar9 a s! paso a través del condensador&disipando el calor correspondiente al medio6

El refrigerante lí8!ido se e#pande por medio de !na v9lv!la de e#pansión %aciael evaporador en donde vapori?a por medio de la absorción de calor del propiomedio a enfriar6Desp!és del proceso de vapori?ación el vapor es s!ccionado por el compresor para ser recomprimido para reiniciar otro ciclo de refrigeración6

27


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Aig!ra 36)6 Representación es8!em9tica de !n ciclo Ranine para la operaciónde !n compresor en !n ciclo de refrigeración6

..2 (-IN$ F'I"'#FIC$ $ $I'E

;a fig!ra 363& representa !na m98!ina de enfriamiento a aire& la c!al consisteen !n compresor C& el c!al aspira& ba:o la presión J , el aire 8!e se enc!entraen el espacio E y 8!e se enc!entra a !na temperat!ra - E 6 El aire se comprimede J E %asta J C y s! temperat!ra a!menta de - E %asta - C 6 b>60 !n enfriador EN&en donde el aire se enfría& ba:o la presión J C de - C %asta - EN 6 Esteintercambiador constit!ye la f!ente caliente de la m98!ina y se enfría con aireo con ag!a6 c>60 !na t!rbina de e#pansión - en donde la presión del airedismin!ye de J C %asta J E 6 De manera sim!lt9nea s! temperat!ra desciende de- E %asta - - y a esta temperat!ra el aire se envía frío otra ve? al espacio aenfriar6;a t!rbina est9 ligada mec9nicamente al compresor& pero como el cons!moenergético de este 7ltimo es s!perior a la prod!cción de la primera& sere8!iere !n motor de apoyo& ya 8!e como es sabido el ciclo de refrigeracióndebe cons!mir energía para poder transferir calor de !na f!ente fría - E a !naf!ente caliente - C 6 Este sistema parece ser m!y interesante& ya 8!e sóloc!enta con !n intercambiador y el refrigerante !sado es el aire y s! coeficientede eficiencia teórico es e#celente.

EN

EN

f T

T =ε

E C

E

T EN

T

f T T

T

T T

T

−=

−=ε =36*>

GENERADOR

TURINACOMPRESOR

REGENERADOR

CONDENSADOR

EVAPORADOR

28

CONDENSADOR


29/105

Sin embargo& al tratarse de m98!inas reales y al considerar las caídas de presión& imperfecciones del compresor y de la m98!ina de e#pansión& 8!e nof!ncionan evidentemente isoentrópicamente& el ciclo real presenta !n eficiencia

m!c%o menor 8!e la teórica& ya 8!e el compresor cons!me m9s energía y lat!rbina de e#pansión s!ministra !na menor potencia& y el motor tendr9 8!e dar !na potencia m!c%o m9s grande6 Esto da como res!ltado 8!e la eficiencia de!n ciclo de enfriamiento de aire& e#cepto por el caso de la obtención de m!y ba:as temperat!ras& tiene eficiencias m9s ba:as 8!e las m98!inas frigoríficasde compresión de vapores6

Aig!ra 3636 Ciclo termodin9mico de !na m98!ina frigorífica a aire6

.. Ciclo de rerigeración de aire con n compresor

El f!ncionamiento esta basado sobre el principio de la e#pansión del aireatmosférico con la prod!cción de traba:o e#terior6 El f!ncionamiento es el sig!iente. !n cilindro de compresión del aire y !n cilindro de e#pansión deaire B se montan sobre el mismo e:e del pistón& 8!e esta acoplado al 9rbol manivela de la m98!ina de vapor C6 El pistón en s! recorrido aspira el aire dela t!bería I y en s! recorrido de regreso lo comprime< el aire calentado de estamanera se enfría en el recipiente D por medio de la p!lveri?ación de ag!a< el

M

INTERCAMIADOR

DE CALOR

ESPACIO A ENRIAR

1

23

4

T C

TURBINA COMPRESOR

PE

PC

29


30/105

aire %7medo se seca en E & por medio de !n tami?< !n secado m9s f!erte se prod!ce d!rante la caída de presión en los t!bos @& disp!estos en el espacio aenfriar A& y en los c!ales el ag!a desp!és del abatimiento de temperat!ra sesepara del aire y se esc!rre6 El aire 8!e se enc!entra todavía ba:o presiónllega por la t!bería ) en el cilindro de e#pansión B donde& con la prod!cción de

traba:o& emp!:a el pistón y alcan?a la m9s ba:a temperat!ra debido a lae#pansión6 El aire enfriado se envía por el cond!cto 3 directamente al espacioa enfriar& en donde es aspirado de n!evo por el compresor para iniciar !nn!evo ciclo6

Aig!ra 366 Sistema de enfriamiento de aire !tili?ando !n compresor

..4 Tbo 'an


31/105

Aig!ra 36* Representación gr9fica de !n corte transversal de !n t!bo Ran8!e

s! traba:o científico al final de la g!erra& a pesar de referenciar el nombre deRan8!e& por !n error de impresión se 8!edo con el nombre del t!bo ilsc%& y los americanos lo comerciali?aron con el nombre de Lortec6 Este t!bo es !ngran cons!midor de energía& ya 8!e se re8!iere de la compresión de grandesvol7menes de aire6 Se alimenta con aire comprimido entre ( y + bars&disponible en la mayoría de las f9bricas& p!diendo imp!lsar !n c%orro de aire%elado en donde la temperat!ra promedio es de H 3* C y p!ede descender %asta H 2* C por medio de !na simple reg!lación de la apert!ra de salida6Este dispositivo f!nciona casi de manera instant9nea. alg!nos seg!ndosdesp!és de %aber sido conectado el compresor& se prod!cen dos c%orros deaire !no %elado y el otro caliente en cada !no de los e#tremos del t!bo6 Qtroinconveniente es el r!ido& !n silbido ag!do parecido a !n reactor en arran8!e6Sin embargo& es posible adicionar !n silenciador 8!e red!ce el silbido del airecomprimido6

..4.1 )'INCI)I &E F-NCIN$(IENT

El t!bo Ran8!e tiene la forma de !na -. la barra %ori?ontal esta constit!ida dela parte en donde se desarrolla el fenómeno de separación& la vertical sirvecomo llegada del aire comprimido& la c!al se %ace tangencialmente interior del t!bo torbellino propiamente dic%o6 Jor este efecto& el aire toma !n movimientoen espiral6En la pr9ctica& el aire se inyecta sobre la periferia interior del t!bo a latemperat!ra ambiente& entre ), y )) C& proyectado sobre la pared cilíndrica&se pone a girar en avance seg7n el comportamiento de !n torbellino& 8!edando pegado a la pared por medio de la f!er?a centríf!ga6 Como la sección interior de este t!bo esta alargada %acia la primera salida H el t!bo esta abierto en los

dos e#tremos H la f!er?a centríf!ga 8!e tiende a inflar el torbellino arrastra el fl!:o en esta dirección6

31


32/105

Jrimera %ipótesis6 ;as e#periencias %an demostrado 8!e la espiral de aire secalienta en s! movimiento %acia delante y 8!e al mismo tiempo se crea !nvacío parcial en el centro del t!bo6 Esto se e#plica por la f!er?a centríf!ga 8!e :ala todas las moléc!las %acia la periferia6 l final& la temperat!ra del c%orro de

aire alcan?a !n promedio de 2, C6 ;a salida comporta !na v9lv!la de ag!:amontada sobre !n sistema de a:!ste 8!e solo de:a salir !na parte del airecaliente6;a otra parte& en general la mitad del fl!:o& regresa %acia atr9s seg7n !nseg!ndo torbellino al interior del primero& girando en el mismo sentido y sig!iendo entonces el canal central a ba:a presión6 ;as dos espirales coa#ialestienen la misma velocidad ang!lar< entonces& !na partíc!la del fl!:o e#terno y !na partíc!la del fl!:o interno %acen !na v!elta entera en el mismo sentido y enel mismo lapso de tiempo6Normalmente& el principio de conservación de momento cinético 8!isiera 8!e lavelocidad de rotación del fl!:o interno sea m9s grande 8!e la cantidad de

movimiento 8!e la del fl!:o e#terno para 8!e la cantidad de movimiento seconserve6 Debido a 8!e estas velocidades se mantienen ig!ales& !na parte dela energía propia del torbellino inicial parte a otro lado6Seg7n el departamento técnico de la empresa Lortec Corporation& esta energíase enc!entra ba:o forma de calor en la primera parte del c%orro 8!e sale del t!bo6K al mismo tiempo& el torbellino 8!e sale en sentido inverso se enc!entraenfriado en proporciones 8!e p!eden ser considerables& dependiendo del perfil interno del t!bo6 Esta es la e#plicación dada por los ingenieros americanos& pero ellos mismos reconocen 8!e no es s!ficiente para dar !na interpretacióncompleta de todos los fenómenos 8!e intervienen6Seg!nda %ipótesis6Una %ipótesis !n poco diferente %abía sido dada por los especialistas de lamec9nica de fl!idos& el t!bo Ran8!e invol!cra lo 8!e se llama los fl!:ost!rb!lentos en el marco de los fl!idos viscosos6 Seg7n esta %ipótesis& el airecomprimido se e#pande a travesando la apert!ra de inyección& enconsec!encia ganando velocidad& perdiendo calor& el !no ganando endetrimento del otro& de ac!erdo al principio de conservación de la energía6Este aire r9pido y frío se enc!entra poco a poco desacelerado& describiendo!na espiral 8!e se va alargando al interior del t!bo& y !na parte de lasmoléc!las cae %acia el interior& en la vena central a ba:a presión6 Jero&

c!riosamente& en l!gar de retomar temperat!ra al dismin!ir s! velocidad& estasmoléc!las ceden s! energía a las vecinas de la periferia y se 8!edan entoncesfrías6 dem9s& la f!er?a centríf!ga en el torbellino adiciona !n efecto refrigerante.f!er?a las moléc!las a mantenerse sobre los bordes de la espiral& lo 8!e %ace%ay al menos en las capas internas 8!e en las e#ternas< a%ora bien menos demoléc!las& menos de presión6 Entonces& c!ando el aire se despla?a de lasregiones e#ternas a alta presión %acia las regiones internas a ba:a presión& see#pande y se enfría a7n m9s6;a sección del t!bo m9s larga& 8!e se va alargando& recibe el fl!:o m9scaliente& mientras 8!e la sección m9s corta y m9s fina de:a salir el fl!:o %elado6

Cabe mencionar& 8!e esta %ipótesis no satisface tampoco a la totalidad de losinvestigadores en din9mica de fl!idos6

32


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El t!bo se alimenta con aire comprimido 8!e llega y se e#pande provocando s!enfriamiento6 Si& entonces& aparece aire caliente en !n e#tremo del t!bo& laconservación de la energía e#ige aire frío en el otro e#tremo6Este es el %ec%o desc!bierto por Ran8!e& de:ando abiertos los dos e#tremosdel t!bo& b!scando aplicaciones comerciales a s! invención6

..4.2 $)!IC$CINE% 6

Entre las aplicaciones m9s simple esta la climati?ación& tanto en las casas&como en los a!tos y en los aviones& si se c!enta con aire comprimido& siendoesto posible en los aviones& m9s difícil en los a!tos y casi imposible en lascasas& siendo m9s f9cil en las ind!strias disponer de esta distrib!ción de airecomprimido6En las ind!strias se !tili?a act!almente para enfriar las %erramientas 8!e debentraba:ar con aleaciones m!y d!ras& en sit!aciones en donde los lí8!idos no soneficaces& la refrigeración de dispositivos de televisión instalados cerca de los

%ornos o de las f!ndiciones& en donde la temperat!ra p!ede destr!ir loscomponentes electrónicos& o en la distrib!ción de ag!a fresca en los locales endonde es necesario evitar la presencia de dispositivos electrónicos6 ;asaplicaciones en el medio ind!strial son inn!merables6ay 8!e reconocer 8!e el t!bo torbellino constit!ye la m98!ina térmica m9ssimple de todas& en donde el 7nico lado paradó:ico es el de e#poner !n problema teórico a m9s de *, aos de s! invención6

.. El separador 8ertin.

El separador Bertin& esta basado sobre !n principio diferente6 El gascomprimido se inyecta de forma independiente en !n t!bo cerrado en !nae#tremidad6 Se establece !n régimen oscilatorio& el c!al crea !na diferencia entemperat!ras entre el aire desec%ado frío en la vecindad del inyector y el airecaliente 8!e 8!eda en el fondo del t!bo6 En este caso& la separación es posibledebido a la no permanencia din9mica y térmica de la corriente6 ;a fig!ra 36*&representa la operación de !n separador térmico Bertin6

Aig!ra 36(6 Separador térmico Bertin

Alet! "ee#$&'&e#t(

)l(

$*(

I#+e))&#te'&te#te

33


34/105

.4 %I%TE($% F'I"'#FIC% TE'(E!5CT'IC%

;a teoría de !n refrigerador termoeléctrico se f!ndamenta en !na serie deefectos físicos propios de los sólidos cond!ctores y semicond!ctores6 Dic%osefectos termoeléctricos relacionan las interacciones entre los fl!:os de calor y los fl!:os eléctricos en !na :!nta de dos materiales =cond!ctores ósemicond!ctores> diferentes6

.4.1 EFECT% TE'(E!5CT'IC% 6

;a :!nta termoeléctrica de la fig!ra 362& se enc!entra formada por dos metalesdiferentes =cond!ctores ó semicond!ctores>< dic%o termopar tiene dos :!ntasentre los metales& las :!ntas M4 y M) las c!ales se enc!entran a s!s respectivastemperat!ras< - 4 y - ) 6

;as interacciones de los diversos fl!:os de calor y corriente eléctrica 8!e pasan por la :!nta se enc!entran relacionadas por los tres efectos termoeléctricos.

Aig!ra 3626 M!ntas termoeléctricas M4 y M) de dos metales diferentes=termopar>6

.4.1.1 EFECT %EE8EC+. l prod!cir !na diferencia de temperat!ras = ∆-> entre las :!ntas 4 y ) =Aig!ra362> se genera !n volta:e ó f!er?a electromotri? =fem> 8!e circ!la la :!ntatermoeléctrica6 ;a diferencia de temperat!ra re8!erida = ∆-> para prod!cir !nvolta:e dado se enc!entra determinado por las características de los materiales8!e conforman la :!nta y se le conoce como coeficiente de Seebec ó potenciatermoeléctrica = α >6

T

V Metal Metal

∆=2,1α =36(>

donde.

34

M"/ 1M"/ 2

'! 1T

1

'! 2T

2

"-


35/105

L . Lolta:e& VLW6∆- . @radiente de temperat!ra& VCW6 α . Coeficiente Seebec relativo a los metales 4 y )& V L'CW6

.4.1.2 EFECT )E!TIE' 6

l generar y circ!lar !n volta:e por la :!nta termoeléctrica =Aig!ra 362> segenera !n ∆- entre la temperat!ra de las :!ntas 4 y ) =y en consec!encia !nfl!:o de calor de !n e#tremo a otro de la :!nta>6 ;a magnit!d del volta:ere8!erido =L> para prod!cir !n ∆- =ó fl!:o de calor> dado se enc!entradeterminado por las características de los materiales 8!e conforman la :!nta y se le conoce como coeficiente Jeltier = π >6

I Q Metal Metal =2,1π =362>

donde.

T . Calor emitido ó absorbido& VMW6 I . Corriente eléctrica& VW6 π . Coeficiente Jeltier relativo a los metales 4 y )& V M'W6

.4.1. EFECT TG()%N.

El coeficiente -%ompson = τ > es la relación de la absorción y emisión de calor en!n solo material cond!ctor a !na ra?ón proporcional del fl!:o de corriente y del gradiente de temperat!ra =Aig!ra 36+>6

Aig!ra 36+6 Representación es8!em9tica del efecto -%ompson efect!9ndose en!n metal dado a !na cierta ∆-6

35

T2

T1

C#/,( "-*&*$,.,( "/

),!$')&,(

C#/,(#%,(*$, .,("/ ),!$')&,(

Q Q

I∆TT

2T

1

T2 : T

1

;


36/105

-%ompson obt!vo la relación del tercer coeficiente termoeléctrico = τ >& para !nosolo de los cond!ctores =Aig!ra 1> ba:o la s!posición de 8!e al fl!ir la corrienteeléctrica =I> en !n cond!ctor& e#iste !n gradiente de temperat!ra dependientede la posición =d-'d#& donde # representa la posición a lo largo del cond!ctor referida a la dirección del fl!:o de la corriente I y calor T> 8!e cond!ce a !na

ra?ón de calentamiento dependiente a s! ve? también de la posición # =dT'd#>6De donde τ es ig!al a.

)/(

/

dxdT I

dxdQ=τ =36+>

donde.

T . Calor emitido ó absorbido& V:W6 I . Corriente eléctrica& VW6- . -emperat!ra absol!ta& VW6 $ . E:e relativo al gradiente de posición ∆ # a través del c!al se reali?a la

transferencia de calor =T> y el fl!:o de la corriente eléctrica =I>6

El principio de los refrigeradores de este tipo y como se mencionóanteriormente& est9 basado en lo 8!e se conoce como efecto Jeltier6 En lasbombas de calor no se !tili?a la !nión de dos metales ya 8!e la diferencia detemperat!ra prod!cida es m!y pe8!ea& en realidad lo 8!e se !tili?a es la!nión de materiales semicond!ctores tipo p y n& los c!ales prod!cen mayoresdiferencias de temperat!ra6

Aig!ra 3616 Diagrama es8!em9tico de !na :!nta metal0semicond!ctor para prod!cir el efecto Jeletier6

36

. !

C,((*"!&"

"/


37/105

E#isten dos tipos de materiales semicond!ctores& los semicond!ctores tipo n y los semicond!ctores tipo p6 El material semicond!ctor tipo n tiene !n e#ceso decargas negativas ó electrones6 ;a adición de imp!re?as 8!e provocan !nadeficiencia de electrones en el material da como res!ltado !n material semicond!ctor tipo p en el c!al las cargas mayoritarias presentes son cargas

positivas =a!sencia de electrones>6 lg!nos e:emplos de materiales tipo p y nson. Bi ) -e3& Bi ) -e3/Sb) -e) /Sb) Se3& Jb-e& Si@e y SiSb6

El calentamiento ó enfriamiento de las :!ntas es el res!ltado de fenómenosb9sicos de transporte de calor6 ;a bomba de calor termoeléctrica !tili?a loscambios de nivel energético de las cargas eléctricas para transportar energíatérmica =calor>< adem9s& la dirección del fl!:o de corriente eléctrica determina si !na :!nta dada disipa ó absorbe calor6 Independientemente del efecto Jeltier asociado al f!ncionamiento de !na bomba de calor termoeléctrica& e#isten dosfenómenos adicionales 8!e oc!rren en el circ!ito y afectan el desempeo de labomba.

- El calentamiento Mo!le 8!e oc!rre por efectos de resistencia eléctrica de lossemicond!ctores a la corriente eléctrica6

- ;a cond!cción de calor& fenómeno inevitable debido a la !nión física entrelos materiales y al gradiente de temperat!ra presente en los mismos6

Jara disear !n sistema óptimo termoeléctrico& se debe considerar& !n material 8!e minimi?a el calentamiento Mo!le& !na relación geométrica 9rea ' longit!d adec!ada para la :!nta y el %ec%o de 8!e el ∆- de operación del refrigerador y el calor =T> transferido son inversamente proporcionales& esto es 8!e ∆- ser9

óptima c!ando T, y viceversa6Este tipo de sistemas se !tili?a generalmente para enfriamiento y a!n8!e s!CQJ es menor 8!e el de !n refrigerador convencional& tiene la venta:a de ser pe8!eos y silenciosos& no emplear lí8!idos& s! reg!lación y control es m!y sencillo =proporcional a la corriente eléctrica>& responden r9pidamente acambios de polari?ación invirtiendo la f!nción de la bomba =bombatermoeléctrica de calentamiento0enfriamiento> y por no tener partes móvilesson de larga d!ración6 Como inconveniente técnico =ba:os CQJ> y económico=costo de los mód!los de :!ntas termoeléctricas>& !na aplicación de bomba decalor termoeléctrica solo es adec!ada a ba:as potencias térmicas =apro#6 3,

Gatts ó menos>&

.4.2 E! CEFICIENTE "!8$! &E )E'$CI/N C)D

El CQJ del refrigerador termoeléctrico se enc!entra dado por la sig!ienteec!ación& en la c!al G representa la potencia eléctrica empleada y T el calor removido6 Es de notarse 8!e el término T ya incl!ye el calor prod!cido en el circ!ito por el efecto Mo!le.

W

QCOP = =361>

;a termodin9mica de estos sistemas establece 8!e la potencia frigorífica T ,

depende de la corriente eléctrica contin!a I& de ac!erdo a la relación sig!iente.

37


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)(2

1 20 E C E PN T T K RI I T Q −−−= α =364,>

en donde α JN es el coeficiente de f!er?a termoeléctrica de la !nión J0N& - E latemperat!ra de la s!perficie fría y - C la s!perficie caliente& R la resistencia del

circ!ito %eterogéneo y la cond!ctividad térmica de los materialessemicond!ctores6 ;a potencia térmica cons!mida por el mód!lo es& de manerageneral.

I RI E P )( += =3644>

en donde E es la f!er?a contraeléctromotri? del mód!lo& = fem de Seebec>6

)( E C PN T T E −= ε =364)>

El coeficiente de eficiencia frigorífica es.

( )[ ] I RI T T

T T K RI I T

P

Q P C

E C PN

C E PN

+−

−−−==

α

α )(2

1

00

2

0 =3643>

Este sistema de refrigeración es m!y costoso y s! !so se a limitado paraaplicaciones de m!y ba:as potencias de refrigeración6

. 'EF'I"E'$CI/N TE'($CH%TIC$

..1 INT'&-CCI/N

;a termoac7stica en general& est!dia la interacción entre la ac7stica y losfenómenos térmicos6 El %ec%o de 8!e !n gradiente de temperat!ra en !n gas p!eda ca!sar !na vibración sonora era ya conocido por ;ord Rayleig%6 El efecto inverso de generar !n gradiente de temperat!ra a partir de !na ondasonora comen?ó a ser !tili?ado en la constr!cción de refrigeradores en la

década de los aos oc%enta6;a refrigeración termoac7stica& podría ser en el f!t!ro mediato !na de lastécnicas m9s indicadas para s!stit!ir a los refrigerantes tradicionales 8!eafectan la capa de o?ono estratosférica y el ambiente como los cloro0fl!oro0carbonos& CAC6;os refrigeradores termoac7sticos presentan varias venta:as& tales como !naconstr!cción sencilla& no contiene partes móviles y son pe8!eos6 Estasm98!inas pertenecen a !na n!eva generación de m98!inas térmicasintrínsicamente irreversibles o m98!inas nat!rales& las c!ales f!ndamentan s!operación en !n proceso irreversible 8!e %ace 8!e el f!ncionamiento seasimple6

38


39/105

..2 EFECT TE'($CH%TIC 6

;as m98!inas termoac7sticas no difieren de las m98!inas de potencia en el sentido de 8!e ellas intercambian calor y traba:o6 ;a diferencia reside en 8!eel tipo de traba:o 8!e se obtiene& se llama traba:o ac7stico& 8!e consiste en el

transporte de energía de !na onda sonora6El efecto termoac7stico se da c!ando !na placa sólida esta sometida a losefectos de !na onda ac7stica plana estacionaria en dirección paralela a la placa6 ;as principales consec!encias 8!e se p!eden observar son lassig!ientes.

a> parición de !n fl!:o neto de calor cerca de la s!perficie de la l9mina alo largo de la dirección de la vibración6

b> @eneración o absorción de potencia ac7stica =traba:o> cerca de las!perficie de la l9mina6

.. EE()!% &E (-IN$% TE'($CH%TIC$%.

...1 'EF'I"E'$&' TE'($CH%TIC

El refrigerador termoac7stico consiste en !n resonador de !n c!arto delongit!d de onda& 8!e tiene en s! e#tremo abierto y !n parlante encargado degenerar !na onda ac7stica estacionaria dentro de este6Dentro del t!bo se locali?a !na re:illa de l9minas alineadas de tal forma 8!e8!eden en la misma dirección de la vibración& la c!al constit!ye el medio sólido8!e va a interact!ar con el fl!ido6;a presencia de la onda dentro del t!bo %ace 8!e d!rante la operación de lam98!ina el fl!ido y las l9minas interact7en& originando !n fl!:o neto de calor de!n lado a otro de la re:illa =en la fig!ra del lado i?8!ierdo al derec%o>& llevando!n calor neto desde !na ?ona a ba:a temperat!ra %asta !na a m9s altatemperat!ra6 De esta forma opera como !n refrigerador convencional en el c!al el traba:o es s!ministrado por el parlante6

Aig!ra 361 Es8!ema de !n refrigerador termoac7stico

PARLANTE

RE

ILL AS

CALORFRIO

39


40/105

...2. T-8 &E GF!E'

En la fig!ra 3644& se presenta de manera es8!em9tica !n t!bo de ofler& el c!al consiste en !n t!bo met9lico con !no de s!s e#tremos cerrados y con el

otro abierto a la atmósfera6 El t!bo tiene !na re:illa de l9minas alineadas en ladirección de la vibración& 8!e constit!yen el medio sólido 8!e va a interact!ar con el fl!ido6

Si el t!bo se somete a !na temperat!ra entre los dos e#tremos& demanera 8!e el e#tremo cerrado este a mayor temperat!ra 8!e el otro& segenerar9 !na onda sonora6 En este caso& la m98!ina esta absorbiendo calor de !na f!ente a alta temperat!ra y est9 e#p!lsando parte de este calor a !naf!ente de temperat!ra m9s ba:a& generando traba:o ac7stico =sonido>6

Aig!ra 3644 Representación de !n -!bo de ofler6

..4 CIC! TE'(&IN(IC &E -N$ )$'T#C-!$

;a partíc!la del fl!ido sig!e !n ciclo d!rante s! oscilación a lo largo de !na delas laminillas de la re:illa de !na m98!ina termoac7stica6 Este ciclo 8!e generatraba:o se desarrolla tanto para !n refrigerador como en !na bomba de calor6;os e#tremos de la l9mina se enc!entran a diferentes temperat!ras6 Seconsidera entonces 8!e la l9mina tiene !n gradiente de temperat!ra a lo largode ella =X- m >6 ;os par9metros de operación son los valores promedios de la posición& # m la temperat!ra - m y la presión J m y también se tienen par9metrosasociados de posición # 4 y amplit!d de las ondas de despla?amiento y presiónJ 4 y la temperat!ra - 4 es el cambio en la temperat!ra debido a la compresión oe#pansión 8!e e#perimenta la partíc!la6

RE.ILLA

/ENTRA/

SALE

40

FRIO CALOR


41/105

.. C!C-! &E -N 'EF'I"E'$&' TE'($CH%TIC

El c9lc!lo de !n refrigerador termoac7stico invol!cra los efectos de laviscosidad y la cond!ctividad térmica del fl!ido6

;os par9metros definidos son. la longit!d y radio del t!bo& longit!d de la re:illa&espesor de l9minas de la re:illa& distancia entre l9minas de la re:illa& distanciade la re:illa al nodo de presión& material de la re:illa& temperat!ra del e#tremocaliente& fl!ido de traba:o& y presión media del fl!ido6Con los par9metros anteriores se calc!la los valores de la diferencia detemperat!ras crítica entre los e#tremos de la re:illa para varios valores de laamplit!d de la onda de presión6 ;a amplit!d de la onda de presión& se indica lara?ón entre la amplit!d real de la onda y la presión media del fl!ido6 El valor dela diferencia de temperat!ras críticas entre los e#tremos de la re:illacorresponde a la m9#ima diferencia de temperat!ras permitida para 8!e se presente el efecto de refrigeración6

Es bien conocido en ac7stica 8!e la energía transportada por !na onda serelación con la amplit!d6 Se p!ede observar 8!e en la medida 8!e se tenga!na onda de mayor energía se tendr9 !na amplit!d mayor para diferentesvalores de la diferencia de temperat!ras6 medida 8!e se re8!iera !nadiferencia en temperat!ras mayor se necesita !na amplit!d de onda m9sgrande para 8!e la onda s!ministre la misma energía6E#iste !na infl!encia de la amplit!d de la onda sobre la capacidad degeneración de frío por parte del refrigerador termoac7stico6 Como se %aobservado& ondas de mayores amplit!des tienen la capacidad de provocar efectos termoac7sticos con mayor potencial para la generación de frío6

... EFICIENCI$ &E -N 'EF'I"E'$&' TE'($CH%TIC, CEFICIENTE &E 'EN&I(IENT, C)D.

;os valores del CQJ a!mentan a medida 8!e a!menta la potencia de la onday alcan?an !n valor límite independiente de la potencia6 Sin embargo& el valor límite para el CQJ es mayor en la medida en 8!e la diferencia de temperat!rassea menor6 Jara diferencias de temperat!ra de ), C& el CQJ promedio es de)6) & para !n X- de , C cerca de 46+& para X- de (, C de46( y para X- de+, C de463& en cada !no de estos casos& se tiene poca variación del CQJ conrelación a la potencia de la onda6;a capacidad de refrigeración depende de los par9metros geométricos y de la

longit!d del resonador6 E#iste !na longit!d óptima para la c!al se p!edee#traer !na m9#ima cantidad de calor dependiendo de la diferencia detemperat!ras entre los e#tremos de la re:illa

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4.0 %I%TE($% T'ITE'(% T'E% F-ENTE% &E TE()E'$T-'$D &E )'&-CCI/N &E F'#.

4.1 INT'&-CCI/N

Estos sistemas a diferencia de los sistemas tritermos f!ncionan con energíatérmica46 Jara s! f!ncionamiento re8!ieren por lo menos de tres f!entes dacalor =de donde s! nombre tritermos>.46 Una f!ente de ba:a temperat!ra& - E en donde el calor se e#trae del medio a

enfriar<)6 Una f!ente de mediana temperat!ra& - C en donde el calor se cede al

medio e#terior<36 Una f!ente a alta temperat!ra& - @& donde el calor se s!ministra para

aseg!rar s! f!ncionamiento6

4.2 C!$%IFIC$CI/N &E %I%TE($% T'ITE'(% &E )'&-CCI/N &EF'#. 6 Sistemas en donde interviene !n ciclo de prod!cción de energía mec9nica

con motor térmico y !n ciclo frigorífico a compresión6- !n motor térmico a comb!stión interna = a gas o con comb!stibles

lí8!idos>6- !n motor a gas caliente =comb!stión e#terna& con calentamiento cl9sico

o solar6- !n motor a vapor =calentamiento cl9sico o solar>6

B6 Sistema en donde intervienen !n motor térmico y !n ciclo de refrigeración aaire6

C& Sistemas en donde intervienen !n mód!lo termoeléctrico Seebec y !nmód!lo efecto Jeltier6D6 Sistemas a sorción.

- Sistemas a absorción =li8!ido0vapor>- Ciclo con f!ncionamiento intermitente- Ciclo con f!ncionamiento contin!oY - Ciclo de absorción0dif!sión- Ciclo a resorciónY Sistemas a absorción =sólido0vapor>

Ciclo con f!ncionamiento intermitenteSistemas a adsorción =intermitentes>

E6 Sistemas frigoríficos a eyecciónY

Y Sistemas 8!e re8!ieren !n pe8!eo s!ministro de energía mec9nica;os sistemas C& D y E& p!eden operarse con energía solar6

1 Jara alg!nos sistemas es necesario cierta cantidad de energía mec9nica la c!al sin embargoes pe8!ea comparada con la energía térmica re8!erida6

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4. CEFICIENTE% &E EFICIENCI$ &E !% %I%TE($%F'I"'#FIC% T'ITE'(%.

4..1 CEFICIENTE "!8$! )E'$CIN$!, C)

Desde el p!nto de vista termodin9mico es conveniente considerar !n sistemafrigorífico tritermo como !na m98!ina constit!ida por !n motor térmico& ="->&f!ncionando entre dos temperat!ras - @ y - C y !na m98!ina frigorífica&operando entre las temperat!ras - E y - C & de ac!erdo a la fig!ra 646Jor definición el coeficiente de operación esta representado de manera general como.

inistradaenergíasum

igeranteefectrefr

Q

QCOP

G

== 0 =64>

Si se incl!ye el traba:o G s!ministrado por el motor térmico ="->& el c!al esabsorbido por la m98!ina frigorífica ="A>& se tiene.

GQ

W

W

QCOP .

0= =6)>

El primer término es el coeficiente de eficiencia del ciclo frigorífico ditermorecibiendo energía mec9nica y el seg!ndo el rendimiento del motor térmico prod!ctor de traba:o6 Jor lo tanto la eficiencia de !n sistema frigorífico tritermo

esta representado por la relación sig!iente.

MT M! S!T COP COP COP = =63>

si las dos m98!inas acopladas se consideran perfectas =ideales>.

ideal MT ideal M! iseal S!T COP COP COP

,,,

= =6>

en temperat!ras termodin9micas

G

C G

E C

E ideal S!T

T

T T

T T

T COP

−•

−=,

=6*>

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Entalpia

Aig!ra 64 Representación del acoplamiento de !na m98!ina térmica y !nam98!ina frigorífica& res!ltando en !n ciclo de absorción

4.4 %I%TE($ &E 'EF'I"E'$CI/N $ EECCI/N

4.4.1 %istema de rerigeración a eyección de 3apor Este sistema de enfriamiento es apropiado para aspirar y comprimir grandesvol7menes y para aseg!rar la %ermeticidad frente al ambiente& ya 8!e no tiene partes móviles6 ;as m98!inas frigoríficas por inyección de vapor %andemostrado ser de gran !tilidad para ciertas aplicaciones6 ;a fig!ra 6)&m!estra el diagrama del principio de este tipo de instalación6 En la partes!perior p!ede verse !na sección del compresor de inyección de vapor&llamado también eyector6 Jor la tobera ) entra el vapor de imp!lsión y see#pande6Debido a la inyección a alta velocidad& se prod!ce !na aspiración 8!e se

engendra en el evaporador la ba:a presión necesaria para aspirar el vapor6 El calor necesario para la vapori?ación se toma del ag!a& la c!al se p!lveri?a conel ob:eto de obtener !na s!perficie de evaporación lo mayor posible6 El ag!afría así obtenida& desp!és de ser !tili?ada para s! fin& es dev!elta al evaporador con !nos grados m9s de temperat!ra6 El ag!a aspirada por el inyector es s!stit!ida por el condensado del condensador& a través de lav9lv!la de reg!lación LR o por ag!a fresca6 ;a me?cla de vapor generada enla tobera me?cladora & fl!ye a gran velocidad por el dif!sor * y transforma s!energía cinética en presión6 Jara lograr !na condensación por medio de ag!afría& el incremento de presión debe ser lo s!ficientemente elevado de ac!erdocon la temperat!ra del ag!a6 ;a mayor parte del condensado precipitado es

dev!elto al evaporador6

/1

0/

2

/2

T3

T2

T

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Aig!ra 6 )6 Representación de !n sistema de enfriamiento basado en la!tili?ación de !n eyector de vapor6

4.4.2 %I%TE($ &E 'EF'I"E'$CI/N $ EECCI/N B C()'E%I/N

4.4.2.1 Introdcción

Un sistema de refrigeración por eyecto0compresión combina !n ciclo decompresión de vapor y !n eyector de vapor6 El ciclo por eyecto0compresión se

p!ede considerar como !n ciclo por compresión de vapor 8!e emplea para s!operación !n eyector en l!gar de !n compresor convencional6 El refrigerante ess!ccionado y comprimido a presión de sat!ración en el eyector a partir del empleo de !n fl!ido motor6 El fl!ido motor deber9 ser !n fl!ido del mayor pesomolec!lar posible& pero en la mayoría de las instalaciones convencionales por c!estiones pr9cticas se emplea el mismo fl!ido como refrigerante y motor6

Como se p!ede ver en la fig!ra 63& !na bomba de calor por eyecto0compresión est9 constit!ida b9sicamente por dos circ!itos térmicos& !nollamado circ!ito motor ó caliente y otro llamado circ!ito frío6 El circ!ito calientetiene como f!nción prod!cir el vapor del fl!ido de traba:o en el generador de

vapor mediante el s!ministro de !na cantidad de calor T@E para desp!és pasarlo al eyector6

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Aig!ra 63 Diagrama es8!em9tico de !n refrigerador por eyecto0compresión devapor6

El eyector est9 constit!ido por dos toberas !na dentro de la otra las c!alestienen !na sección convergente& c!ello& y !na sección divergente6 En la

sección convergente& el vapor del circ!ito caliente dismin!ye s! presión y a!menta s! velocidad alcan?ando !n nivel s!persónico6 Josteriormente en lasección divergente& se prod!ce la e#pansión del fl!ido& provocando la s!ccióndel fl!ido frío proveniente del evaporador6 El fl!ido caliente se comprime :!ntocon el fl!ido frío a través de ondas de c%o8!e y salen del eyector6 El fl!ido así formado pasa %acia el condensador donde se lic!a mediante la e#tracción de!na cantidad de calor TCQ& para separarse desp!és en dos líneas& !na 8!e va%acia el generador de vapor y la otra 8!e va %acia el evaporador& donde sevapori?a mediante la absorción de !na cantidad de calor TEL y pasa %acia el eyector dando inicio n!evamente al ciclo6

Un aspecto 8!e cabe resaltar& es 8!e en estos sistemas& el fl!:o 8!e circ!la por el condensador es la s!ma del fl!:o del generador de vapor y el evaporador<esto es 8!e el fl!:o 8!e sale del condensador se divide entre los dos circ!itosdel sistema6 sí es 8!e !n par9metro importante tanto de diseo como deoperación de los sistemas de eyección de vapor es la relación de fl!:o entre el condensador y el evaporador6

Este tipo de sistemas también p!eden aplicarse& si se tiene disponible vapor dedesec%o a altas presiones al pasar éste directamente %acia el eyector evitandoel !so del generador6 Estos sistemas tienen la venta:a de s! simplicidad

mec9nica y ba:a mantenimiento& lleg9ndose a !sar generalmente paraenfriamiento6 El fl!ido frigorífico m9s com7nmente empleado en estos sistemas

46

C,!$"!%#$,(

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es el ag!a& a7n c!ando act!almente se %an reali?ado e#perimentos deaplicación 8!e incl!yen al R044& R04) y R0446

Aig!ra 6 Diagrama es8!em9tico de !n eyecto0compresor

4.4.2.2 CEFICIENTE "!8$! &E )E'$CI/N, C).

El CQJ para este ciclo est9 dado por la ec!ación& donde Z representa larelación de fl!:o es ig!al a la masa 8!e c

tecnologias de enfriamiento-pilatowsky_ok

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