CICLOS DE REFRIGERACIÓN

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA
NÚCLEO BARINAS-SEDE BARINAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
“CICLOS DE REFRIGERACIÓN”
ING ERNESTO MÁQUEZ
TERMODINÁMICA II
JOSÉ FALCÓN
5TO SEMESTRE
SECCIÓN “A”
JULIO DE 2011
INTRODUCCIÓN
La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los
chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII
utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI
y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la
vaporización del amoníaco) etc, hacen los primeros intentos prácticos de producción
de frío.
En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y
en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera
máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de
compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde y Windhausen la
de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, etc. Un capítulo aparte merece
Carré, propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de
eyección.
Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés
dentro de la evolución industrial a que obliga la continua alza de la vida. La refrigeración
tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (barcos
congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras),
productos farmacéuticos y materias para la industria (plantas productoras de hielo,
unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones,
etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc.
Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial
desde el punto de vista económico, humano y social.
Una
de
las
principales
áreas
de
aplicación
de
la
termodinámica
es
la
refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior
hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen la refrigeración se
llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de
refrigeración por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa
alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otros ciclos de
refrigeración conocidos son los ciclos de refrigeración
de
gas
en
la
que
el
refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorción de
amoniaco donde existe mezcla de amoniaco y agua en algunos procesos en el ciclo.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Hablar de producción de frío es tanto como hablar de extracción de calor; existen
diversos procedimientos que permiten su obtención, basados en el hecho de que si
entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la transmisión de calor de uno
a otro se puede efectuar por conducción y radiación.
Procedimientos químicos.- Están basados en el uso de determinadas mezclas y
disoluciones que absorben calor del medio que las rodea; se trata de procesos no
continuos, de nulo interés y aplicación prácticos, sólo aptos para determinados trabajos
de laboratorio.
Procedimientos físicos.- Se puede conseguir un descenso de temperatura mediante
procesos físicos, como la expansión de un fluido en expansores y en válvulas de
estrangulamiento, fundamento de las actuales máquinas industriales de producción de
frío; este tipo de sistemas admite la siguiente clasificación:
Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia.En estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la
siguiente subdivisión:
-Por fusión, en que la producción de frío, o lo que es lo mismo, la sustracción de calor a
la carga a refrigerar, se utiliza para pasar a una sustancia del estado sólido al de
líquido; está muy extendida la fusión del hielo, o de mezclas eutécticas, que al cambiar
de estado captan calor del entorno.
-Por sublimación, en que el paso se efectúa de sólido a gas mediante la adición de
calor, siendo el ejemplo más representativo el anhídrido carbónico, para la producción
de nieve carbónica.
-Por vaporización, en donde se engloban todos los procesos en los que un líquido pasa
a fase de vapor al suministrársele una cierta cantidad de calor, pudiéndose distinguir
dos casos.
Circuito abierto (vaporización directa), en donde el fluido capta el calor de la carga a
enfriar y una vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar; este es el caso de
algunos transportes que utilizan nitrógeno como medio de producción de frío.
Circuito cerrado, en que a diferencia del anterior, el fluido se recupera con vistas a ser
utilizado en un proceso cíclico. Como característica general de estos métodos, hay que
hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión.
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS DE REFRIGERACIÓN
Las máquinas frigoríficas se pueden clasificar, según el sistema utilizado para la
recogida de vapores, en la siguiente forma:
Máquinas de adsorción, en las que los vapores son captados mediante un absorbente
sólido.
Máquinas de absorción, en las que los vapores que se forman añadiendo calor al
sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente líquido.
Máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y comprimidos
mediante un compresor y licuados en un condensador; los compresores pueden ser de
émbolo o rotativos, con o sin refrigeración intermedia. Los equipos frigoríficos a base de
compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi
exclusivamente en los frigoríficos industriales.
Máquinas de eyección, en las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi
que genera el paso de otro fluido a gran velocidad.
ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN
De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de
baja temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede
por si solo (principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor
desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de
dispositivos especiales conocidos como refrigeradores.
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los
ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes.
CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Como introducción al tema de ciclos de refrigeración por compresión de vapor,
es necesario tener presentes distintos aspectos de termodinámica relacionados
con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilización como ciclo de referencia para
evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por
compresión de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para así
lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeración bajo el
esquema de los ciclo termodinámicos.
CICLO DE CARNOT INVERSO
El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos
que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en
dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot.
Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de
refrigerador o bomba de calor de Carnot. Aunque en la práctica no es utilizado
por razones que mas adelante se expondrán, sirve de referencia para evaluar el
desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de
temperatura.
Ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un
refrigerante
1-2 Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría T L, de forma
isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase.
2-3
Se
comprime
el
temperatura máxima TH.
refrigerante
isentrópicamente,
hasta
que
alcanza
la
3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a T H, de forma
isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido).
4-1 Se expande el refrigerante isentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura
mínima TL
Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot como modelo de dispositivo
práctico radican en los procesos de compresión y expansión. En general debe evitarse
comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas
liquidas puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor). La
expansión con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de
perjudicial, la restricción a las condiciones de saturación limita la capacidad de
absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas
inherentes al ciclo de Carnot conducen en la práctica al ciclo de refrigeración por
compresión de vapor.
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot
basados en las siguientes consideraciones:
• En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor.
• Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más
económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar).
• La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación.
Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al
evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la
turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o
tubo capilar.
Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad
de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada
por
(ECU I)
La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador
planteada así:
(ECU II)
En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras
que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del
ciclo está dado por:
(ECU III)
Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración.
Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante, que
experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia
de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor
que la temperatura de la región fría.
Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa
al ciclo. El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas
para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la
temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas
de las corrientes atmosféricas.
Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando
la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el
refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura
(generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de
entrada depende de las necesidades de enfriamiento.
Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario
revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir
la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador.
CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura siguiente por compresión
de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las
irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de
irreversibilidades son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la
transferencia de calor hacia o desde los alrededores.
Influencia de las irreversibilidades en el compresor.
El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático
y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real
incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia
de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección.
En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del
rendimiento adiabático del compresor planteado como:
(ECU IV)
Influencia de las irreversibilidades en el evaporador.
En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al
compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el
estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el
sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del
compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al
compresor.
Asimismo,
en
línea
que conecta al evaporador al compresor suele
producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable,
trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y
por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al
compresor, basado en el criterio de W neto∫ =vdp
Influencia de las irreversibilidades en el condensador.
En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como
liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que
se produzcan caídas de presión
en el condensador así como en las líneas que
conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad
de mantener con precisión la regulación del condensador para tener a la salida
líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento
sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor,
por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la
entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar
la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante).
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONÍACO
El sistema de refrigeración por absorción, patentado en 1860 en USA por el francés
Ferdinand Carré, funciona por calor, y utiliza un fluido frigorígeno que es absorbido y
liberado, alternativamente, por el absorbente. Resulta un sistema de absorción, ya que
el compresor de un sistema de fluido condensable se sustituye por el conjunto
generador-absorbedor del ciclo de absorción; en siguiente figura se representa un
esquema del método de absorción.
La fuente de calor se puede obtener, por ejemplo, quemando gas natural o algún otro
combustible.
En el esquema se muestran los componentes principales de un sistema de refrigeración
por absorción, en el que el refrigerante es amoníaco y el absorbente es agua.
El amoníaco pasa a través del condensador, la válvula de expansión y el evaporador en
la misma secuencia que en un sistema con compresión de vapor. El compresor es
sustituido por el conjunto absorbedor, bomba, generador y válvula. En el vaporizador se
evapora el fluido frigorígeno, por lo que se produce frío; es una zona de bajas presiones
y temperaturas.
El vapor de amoníaco llega al absorbedor donde es absorbido mediante una reacción
exotérmica con la solución pobre de amoníaco que había en el generador y que pasa al
absorbedor a través de una válvula de estrangulamiento 1. El líquido resultante con
alto contenido en amoníaco, se comprime con una bomba, y mediante un
intercambiador de calor, se lleva nuevamente al generador donde vuelve a iniciarse
el ciclo. La misión de este intercambiador es la de mejorar el rendimiento del ciclo.
El absorbedor es un dispositivo en el que el vapor del fluido frigorígeno (refrigerante), es
absorbido por un líquido (absorbente), resultando una mezcla líquida. En el absorbedor,
el agua líquida absorbe el amoníaco vapor procedente del evaporador, siendo la
formación de esta solución líquida exotérmica.
Como la cantidad de amoníaco que puede disolverse en agua aumenta cuando la
temperatura de la solución disminuye, alrededor del absorbedor circula agua de
refrigeración para retirar la energía liberada Q1 al entrar el amoníaco en la solución, y
mantener la temperatura del absorbedor lo más baja posible. La solución rica de
amoníaco-agua deja el absorbedor y entra en la bomba, donde aumenta su presión
hasta la del generador.
CICLO DE AIRE DE REFRIGERACIÓN
Las máquinas frigoríficas de aire funcionan según un ciclo Joule; este tipo de máquinas
tienen un importante consumo de energía, pero a pesar de ello, la seguridad que
supone el utilizar aire como fluido frigorígeno y el poco peso de las instalaciones
(compresores rotativos), hace que sean factores decisivos a la hora de su utilización en
sistemas de acondicionamiento de aire.
Ciclo teórico.- Teniendo en cuenta el esquema que se presenta en la Figura anterior,
el aire se puede expansionar en una máquina de pistón o en una turbina, de 3 a 4; el
calor q2 se extrae del medio a refrigerar a la presión p1 y después el aire se comprime
isentrópicamente hasta la presión p2 que reina en el cambiador de calor; finalmente el
aire se refrigera a presión constante.
El balance energético de este ciclo es:
(ECU V)
El coeficiente de efecto frigorífico teórico es:
(ECU VI)
Si se asimila el aire a un gas ideal, el calor específico se puede considerar constante
Cp=cte, y la expresión del efecto frigorífico teórico es:
(ECU VII)
Ciclo real.- En un ciclo real existe un incremento de entropía y las entalpías finales,
tanto en la compresión como en la expansión, son más elevadas que en el ciclo
ideal; el trabajo necesario para la compresión es mayor debido al rendimiento interno
del compresor y el obtenido en la expansión, menor; los rendimientos internos del
compresor y del expansor permiten introducir en los cálculos el concepto de
irreversibilidad.
El rendimiento interno del compresor es:
(ECU VIII)
La eficiencia del ciclo real es:
(ECU IX)
El ciclo real de la máquina de fluido no condensable muestra que a medida que nos
aproximamos al ciclo ideal, el coeficiente de efecto frigorífico tiende al del ciclo de
Carnot; haciendo ηe = ηc = 1.
CONCLUSIONES
Refrigerar suele ser sinónimo de enfriar, pero debe haber una clara distinción entre
ambas ideas, reservando la de refrigeración para cuando el enfriamiento ocurre a
temperaturas por debajo de la atmosférica (en ambos casos se trata de extraer
calor del sistema, pero la refrigeración así entendida requiere el aporte de
exergía del exterior, mientras que el enfriamiento podría conseguirse simplemente
dejando el sistema caliente en contacto con la atmósfera (aunque muchas
veces
también se aporte exergía del exterior para acelerar este enfriamiento).
Dado que el mundo en que vivimos no está en equilibrio termodinámico, se
pueden conseguir temperaturas inferiores a las del ambiente en un instante y un
lugar dado por medios naturales, simplemente trayendo el 'frío' desde lugares más
fríos, o desde el mismo lugar y tiempos más fríos (guardando la nieve del
invierno hasta el verano, o haciendo hielo en noches frías al relente). Todos
estos métodos de preservar sistemas a baja temperatura estaban condicionados a
la disposición de una buena envoltura aislante, que normalmente era paja o serrín, con
espesores típicos de un metro.
Pero la Termodinámica enseña muchos otros procedimientos para lograr disminuir
la temperatura de un sistema por debajo de la del ambiente, enseñando también que en
todos los casos hace falta un aporte de exergía para mantener esa condición de
desequilibrio frente a la tendencia natural a la uniformización de la temperatura.
BIBLIOGRAFÍA

DÍEZ, Pedro Fernández (2010). “Ciclos de Refrigeración”. Tomado vía
internet.
Formato .Pdf
http://es.libros.redsauce.net/index.php?folderID=4

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL "FRANCISCO DE MIRANDA
Termoaplicadaunefm´s Blog. (2009).
“Ciclos de Refrigeración por Compresión de Vapor”. Tomado vía internet.
http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-refrigeracion1.pdf