REFRIGERACION EVAPORATIVA

T.2.1.1.Ciclos de Refrigeración
Compresión
Tecnología
Energéticapor
(G.I.T.I.)
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al
alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
1
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
1.- Introducción
2.- Refrigeración por Compresión
3.- Refrigeración por Absorción
4.- Otros Ciclos
1.- Introducción (I)
Para transportar calor desde un foco a baja temperatura a otro a alta
temperatura es necesario aportar energía
Interviene un fluido, refrigerante, que sufre una serie de transformaciones
termodinámicas. Cada refrigerante tiene un comportamiento definido y diferente
Los ciclos evitan la reposición continua del refrigerante
Los métodos empleados para la producción de frío con aplicaciones industriales
se basan en dos sistemas:
– el ciclo de compresión del vapor
– el ciclo de absorción
2
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
1.- Introducción (II)
No se hace frío,
se retira calor
3
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (I)
Diagrama característico de un refrigerante
Pabsoluta
Los manómetros
marcan Prelativas
4
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (II)
Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de una
sustancia (fluido refrigerante)
–
–
–
–
Compresión
Condensación
Expansión
Evaporación
5
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (II)
Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de una
sustancia (fluido refrigerante)
–
–
–
–
Compresión
Condensación
Expansión
Evaporación
qe
qc
wc
6
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (III)
Subenfriamiento: salida del condensador, asegura líquido en la Val. Exp.
Recalentamiento: salida del evaporador, asegura vapor en el Comp.
∆Tamaño del Cond
∆QCond
∆QCond
Recalentamiento
Subenfriamiento
∆QEvap
∆WComp
7
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (IV)
Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el
subenfriamiento y el recalentamiento
Condensador
2
Compresor
V. Exp.
1
Condensador
V. Exp.
2
1
Int. Cal
Evaporador
Evaporador
3
4
8
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (V)
Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el
subenfriamiento y el recalentamiento
QC
Líquido
2
T
1
WC
Intercamb.
de calor
Vapor
3
Este sistema no mejora
necesariamente
el rendimiento del ciclo
4
Vol  Tamaño
Comp
QE
9
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (V)
Un intercambiador de calor auxiliar puede realizar simultáneamente el
subenfriamiento y el recalentamiento
QC
Este sistema no mejora
Líquido
necesariamente
el rendimiento del ciclo
WC
Intercamb.
de calor
Este sistema no mejora
necesariamente
el rendimiento del ciclo
QE
T
Vapor
Vol  Tamaño Comp
10
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (VI)
Ciclo real:
• Con pérdidas de presión en condensador y evaporador
• La compresión no es isoentrópica
• La expansión no es isoentálpica
∆QCond
Comp. sin S cte
Cond. con ∆p
∆WCond
Exp. sin h cte
Evap. con ∆p
11
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (VII)
Rango de Tª de evaporación
-40
-30
-20
-10
0
+10
°C
LBP
(MBP)
HBP
LBP (Baja temperatura de evaporación)
MBP(Media temperatura de evaporación)
HBP (Alta temperatura de evaporación)
-25°C ±10°C
-10°C ±10°C
+5°C ±10°C
12
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (VIII)
13
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (IX)
Los límites de funcionamiento de un equipo son:
3
2
• En el evaporador: la T de la cámara > T del refrig
• En el condensador: la T ambiente < T del refrig
1
4
El rendimiento del ciclo de compresión se calcula
Con las energías y los calores;
• El calor extraído de la cámara es:
(h1 - h4) (kJ/kg)
• El calor cedido al exterior es:
(h2 – h3) (kJ/kg)
• El trabajo útil del compresor es:
(h2 – h1) (kJ/kg)
QFC
3
Condensador
2
V. Exp.
W
Compresor
estos valores se obtienen del diagrama, ó de las tablas
4
Evaporador
QFF
1
14
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (X)
Análisis Termodinámico (I):
• Etapa de compresión (1-2)
w admisión (b 1)  p1  v1
p
a
2
w comp (1 2)  si (S  cte)  q  0   u  u1  u2
w impulsión ( 2  a )  p 2  v 2
s
1
b
w (a  b) 
v
v  cte
P.P.T.  q  u  w
0
w Ciclo Comp  p1  v1   u1  u2   p 2  v 2   h1  h2
• Etapa de condensación (2-3)
P.P.T.
q
3
2
du 
3
2
dw 
3
2
du 
3
 2 p  dv  p 2  p3
 u3  u 2  p  ( v 3  v 2 )
 h3  h 2
Valores por kg de masa
15
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XI)
Análisis Termodinámico (II):
• Etapa de expansión (3-4)
P.P.T.
No se puede mostrar la imagen en este momento.
 u   w
4
3
du  
4
3
dw  u 4  u3  p 4  v 4  p 3  v 3  u 4  p 4  v 4  u3  p 3  v 3 h3  h 4
• Etapa de evaporación (4-1)
P.P.T.
q
1
4
du 
1
4
dw 
1
4
du 
1
 4 p  dv  p 4  p1  u1  u4  p  (v1  v 4 )
 h1  h 4
16
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XII)
COP (COefficient of Performance) COP 
Calor Extraido (h1  h 4 )
Trabajo Compresor (h 2  h1 )
En función de las temperaturas del ciclo, puede ser superior a 3
EER (Energy Efficiency Ratio)
EER 
En aire acondicionado puede ser superior a 13
SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio)
Capacidad Frigorífic a (BTUh)
Potencia Compresor (W)
EER  3,413 COP
1.000 BTU / 293 W,h
El EER durante un periodo de tiempo
IPLV (Integrated Part Load Value)
Considera cargas parciales de la máquina
IPLV  0,01 COP100%  0,42 COP75%  0,45 COP50%  0,12 COP25%
17
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XIII)
El COP disminuye al:
• Aumentar la Tcond
WC
• Disminuir Tevap
-QE
WC
-QE
18
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XIV)
Standar ARI 550/590 para considerar cargas parciales
% Capacidad
frigorífica
Tª del Agua del
condensador (ºC)
Tª del aire del
condensador (ºC)
100
29,4
35
75
23,9
26,7
50
18,3
18,3
25
18,3
12,8
0
18,3
12,8
19
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XV)
Sistema simple con acumulador/separador de alta presión
La válvula siempre
alimenta con líquido
Acumulador
Condensador
Compresor
V. Exp.
Evaporador
se
El “sobrante” de fluido
refrigerante se deposita en
forma de líquido en el
acumulador, por lo que la
máquina puede funcionar
sin que se eleve la presión
de máxima
20
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVI)
Sistema simple con ejector como dispositivo de expansión
Condensador
3
4
2
Compresor
Ejector
49
1
5
Separador
9
6
V. Exp.
8
El ejector acelera líquido a
AP; traslada momento de
ese flujo al de la salida del
evaporador; por último,
recupera presión en un
difusor
Aumenta el salto entálpico
en el evaporador y reduce
el trabajo del compresor,
por lo que mejora el COP
7
Evaporador
21
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVI)
Condensador
3
2
Sistema simple con ejector como dispositivo de expansión
Compresor
4 Ejector
49
5
Separador
9
V. Exp.
8
1
Evaporador
6
3
7
V. Exp. (6-7)
6
El ejector acelera líquido a
AP; traslada momento de
ese flujo al de la salida del
evaporador; por último,
recupera presión en un
Cond. (2-3)
difusor
2
Aumenta el salto entálpico
en el evaporador y reduce
Comp. (1-2)
el 5 trabajo del1 compresor,
por lo que mejora el COP
7
8
4
49
Evap. (7-8)
9
22
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVII)
Sistema sobrealimentado
Condensador
3
Necesita de un acumulador
de alta y otro de baja
2
Permite diferente flujo de
refrigerante por evaporador
y compresor, que es el que
determina las presiones
4
Compresor
V. Exp.
1
5
6
7
8
Evaporador
23
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVII)
Sistema sobrealimentado
Condensador
3
Necesita de un acumulador
de alta y otro de baja
2
Supuesto que en el acumulador
Permite
diferente
no hay pérdida
de presión
(3  4)
4
V. Exp.
Compresor
4
1
3
5
6
7
Evaporador
flujo de
refrigerante por evaporador
y compresor, que es el que
2
determina las presiones
8
7
6
5
58
8
1
Supuesto que la bomba apenas
incrementa la presión (6  7)
24
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVIII)
Sistema para licuefacción de gases
4
Condensador
3
Para licuar gases de usos
criogénicos tales como:
• He (-268ºC)
• H (-280ºC)
• N (-147ºC)
2
Compresor
V. Exp.
Int. Cal
Separador
6
1
7
5
0
Entrada de gas
Salida de líquido
10
25
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XVIII)
Sistema para licuefacción de gases
4
Condensador
3
2
Compresor
V. Exp.
Separador
Int. Cal
6
5
7
1
4
0
3
Para licuar
de usos
Necesita
de gases
un acumulador
criogénicos
como:
de
alta y otrotales
de baja
•Permite
He (-268ºC)
diferente flujo de
•refrigerante
H (-280ºC)
por evaporador
•y compresor,
N (-147ºC) que es el que
determina las presiones
2
Entrada de gas
Salida de líquido
10
10
5
6
7
1
0
26
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XIX)
Sistema en Cascada
Para reducir el trabajo de
la compresión, se pueden
usar dos refrigerantes,
uno adaptado a bajas Tª
y otro a altas
Q Cond Baja  QEvap Alta
mBaja  hCond Baja  m Alta  hEvap Alta
mBaja  (h2  h3 )  m Alta  (h5  h8 )
27
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XIX)
Sistema en Cascada
QFC
Cond. Alta Tª
7
V. Exp.
Alta Tª
6
WCAP
Comp. A.P.
8
5
Ev. Alta Tª
QFF
Q Cond Baja  QEvap Alta
QFC
Cond. Baja Tª
3
V. Exp.
Baja Tª
2
WCBP
Comp. B.P.
Q Cond Baja  QEvap Alta
mBaja  hCond Baja  m Alta  hEvap Alta
mBaja  (h2  h3 )  m Alta  (h5  h8 )
4
Evap. Baja Tª
1
QFF
28
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XX)
Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia
Condensador
CompAP
V. Exp.
TentRefAux
2
TsalRefAux
Ref. Aux
mRefAux
1
CompBP
Evaporador
mRef
QRe fAux  mRe f  (h 2  h1 )  mRe fAux  Cp Re fAux  (Tent Re fAux  Tsal Re fAux )
29
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXI)
Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia
WCAlta
↓Tmax
Refrigeración
2
1
WCBaja
30
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXI)
Dos etapas de compresión con refrigeración intermedia
WCAP
WCBP
WC
31
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XX!!)
Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido
Condensador
1
V. Exp.
V. Exp.
CAP
La inyección consigue
una refrigeración
5
Separador
de líquido
2
4
CBP
mRef Eva
3
Evaporador
QEvap  mRe f Eva  hEva
32
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXII)
Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido
Inyección
1
2
5
4
3
33
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIII)
Dos etapas de compresión con inyección total de refrigerante líquido
Condensador
CAP
V. Exp.
4
Separador
de líquido
3
1
CBP
2
V. Exp.
Evaporador
34
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIII)
Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido
1
Inyección total
2
3
4
35
35
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIII)
Dos etapas de compresión con inyección de refrigeración de líquido
1
Inyección parcial
2
3
4
36
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIV)
Doble compresión con subenfriamiento
1
Condensador
CAP
V. Exp.
6
2
1
Separador
de líquido
5
CBP
3
V. Exp.
4
Evaporador
37
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIV)
Doble compresión con subenfriamiento
1
3
2
6
5
4
38
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXV)
Doble compresión con subenfriamiento
1
Condensador
CAP
V. Exp.
7
2
6
5
Separador
de líquido
1
V. Exp.
4
CBP
3
Evaporador
39
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXV)
Doble compresión con subenfriamiento
1
3
6
2
7
5
4
40
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVI)
Doble evaporación
1
Condensador
CAP
V. Exp.
7
6
Evaporador Alta
2
CBP
5
4
Evaporador Baja
3
41
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVI)
Doble evaporación
1
7
6
2
4
5
3
42
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVII)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (I)
3
Condensador
Toda la superficie del condensador
disipa calor siempre
 cuando una sola cámara ON
La Válvula 3-4 debe estar
preparada para funcionar
con vapor y no con líquido,
y ajustar su valor al de la
salida del Evap. de baja
2
V. Exp.
V. Exp´.
4
Evaporador Alta
5
Evaporador Baja
6
1
Mezcla
43
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVII)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (I)
3
2
Condensador
V. Exp.
V. Exp´.
4
Evaporador Alta
5
3
Toda la superficie del condensador
disipa calor siempre
 cuando una sola cámara ON
La Válvula 3-4 debe estar
preparada para funcionar
con vapor y no con líquido,
y ajustar su valor al de la
salida del Evap. de baja
2
Ev. Alta
6
Evaporador Baja
1
Mezcla
4
6
5
1
Mezcla
Ev. Baja
44
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVIII)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (II)
3
El evaporador de alta tiene
un flujo reducido, y no se
logra la evaporación de
todo el refrigerante que lo
atraviesa
2
Condensador
V. Exp.
Compresor
El evaporador de baja
siempre tiene circulación
de refrigerante
V. Exp.
4
Evaporador Alta
Toda la superficie del
Condensador disipa calor
 cuando solo la cámara
de baja está ON
6
5
V. Exp.
Evaporador Baja
67
7
1
Mezcla
45
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXVIII)
3
2
Condensador
Ciclo
Simple
con Dos Evaporadores
(II)
V. Exp.
El evaporador de alta tiene
un flujo reducido, y no se
logra la evaporación de
todo el refrigerante que lo
atraviesa
Compresor
4
Evaporador Alta
5
V. Exp.
6
V. Exp.
7
67
Evaporador Baja
1
3
Mezcla
2
Ev. Alta (4-5)
4
7
Toda la superficie del
Condensador disipa calor
 cuando solo la cámara
de baja está ON
El evaporador de baja
siempre tiene circulación
de refrigerante
5
67
6
1
Ev. Baja (67-1)
46
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIX)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (III)
Toda la superficie del condensador
disipa calor siempre
 cuando una sola cámara ON
El compresor de alta debe
funcionar cuando al menos
una cámara esté ON
1
Condensador
V. Exp.
2
4
Evaporador Alta
Mezcla
3
5
Evaporador Baja
47
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXIX)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (III)
1
Ev. Alta
2
4
Mezcla
3
Ev. Baja
5
48
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXX)
Toda la superficie del condensador
disipa calor siempre
 cuando una sola cámara ON
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (IV)
1
6
Condensador
Mezcla
V. Exp.
Evaporador Alta
4
2
3
5
Evaporador Baja
49
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXX)
Ciclo Simple con Dos Evaporadores (IV)
6
1
Mezcla
Ev. Alta
2
4
3
Ev. Baja
5
50
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXI)
51
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXII)
Refrigerante
T Cond.
Comp
T Evap.
C.O.P.
52
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXIII)
P
Descarga
pdescarga
Espacio muerto
reexpandido
Admisión
padmisión
vdadmisión
vdesplazado
Vol
Espacio muerto
PMS
vcilindro
V
PMI
53
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXIV)
54
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXV)
55
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXVI)
56
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXVII)
57
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXVIII)
Refrigerante
58
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXVIII)
59
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXIX)
Valores del ciclo
60
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXIX)
Dibujar el ciclo
61
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXX)
Infor. del ciclo
62
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXX)
Ptos del ciclo
63
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXX)
64
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXI)
Refrigerante
65
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXI)
66
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXI)
67
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXII)
Análisis de Ciclos
68
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIII)
Valores del Ciclo
69
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIII)
Auxiliar
70
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIII)
Ptos Ciclo
71
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIII)
…
72
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor funciona con R12 entre las
temperaturas de saturación de -20ºC en el evaporador y 41,64ºC en el condensador.
Calcular la capacidad de refrigeración, el coeficiente de operación (COP) y el
cociente entre la potencia consumida por el compresor en hp y la capacidad de
refrigeración en ton si el flujo másico de refrigerantes es de 0,6 kg/s.
73
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor funciona con R12 entre las
temperaturas de saturación de -20ºC en el evaporador y 41,64ºC en el condensador.
Calcular la capacidad de refrigeración, el coeficiente de operación (COP) y el
cociente entre la potencia consumida por el compresor en hp y la capacidad de
refrigeración en ton si el flujo másico de refrigerantes es de 0,6 kg/s.
Tablas vapor
saturado R12
Volumen específico
Entalpía
Entropía
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg K
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
T,ºC
p,MPa
vI
vl-v
vv
hl
hl-v
hv
sI
sI-v
sv
-20
0,1509
0,000 685
0,108 162
0,108 847
17,800
160,810
178,610
0,0730
0,6352
0,7082
p,MPa
T,ºC
vI
vv
ul
uv
hl
hv
hl-v
sl
sv
1,00
41,64
0,8023
17,44
75,46
186,32
76,26
127.50
203,76
0,2770
0,6820
h1  178,6 kJ / kg
s1  0,7082 kJ / kg K  s 2
h 3  h 4  76,26 kJ / kg
P2  P3  1 MPa
74
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor funciona con R12 entre las
temperaturas de saturación de -20ºC en el evaporador y 41,64ºC en el condensador.
Calcular la capacidad de refrigeración, el coeficiente de operación (COP) y el
cociente entre la potencia consumida por el compresor en hp y la capacidad de
refrigeración en ton si el flujo másico de refrigerantes es de 0,6 kg/s.
s1  0,7082 kJ / kg K  s 2
Tablas vapor
seco R12
1,00 MPa
T
v
h
s
ºC
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg' K
50
0.018366
210.162
0.7021
60
0.019410
217.810
0.7254
h 2  210,16  (217,81  210,16 )
Q evap  m (h1  h 4 )  0,6 kg (178,6  76,3) kJ
s
kg
Wcomp
 61,4 kW
kg
kJ
 m (h 2  h1 )  0,6
 20,2 kW
(212,2  178,6)
s
kg
1 ton  3,52 kW
Hp / ton 
Wcomp / 0,746
Q evap / 3,52

COP 
0,7082
0,7082  0,7021
kJ
 212,2
0,7254  0,7021
kg
Qe
61,4

 3,04
20,2
Wc
20,2 / 0,746
4,72

 1,55
61,4 / 3,52
COP
75
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los
siguientes cambios:
–El refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -10ºC
–El refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 40ºC
–El compresor tiene un rendimiento adiabático del 80%
Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP
76
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los
siguientes cambios:
–El refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -10ºC
–El refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 40ºC
–El compresor tiene un rendimiento adiabático del 80%
Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP
Volumen específico
Tablas vapor
saturado R12
Entalpía
m3/kg
Líquido
Sat
Evap.
Entropía
kJ/kg
Vapor
Sat
Líquido
Sat
kJ/kg K
Vapor
Sat
Evap.
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
T,ºC
p,MPa
vI
vl-v
vv
hl
hl-v
hv
sI
sI-v
sv
-20
0,1509
0,000 685
0,108 162
0,108 847
17,800
160,810
178,610
0,0730
0,6352
0,7082
40
0,9607
0,000 798
0,017373
0,018171
74,527
128,525
203,051
0,2716
0,4104
0,6820
h 3  74,53 kJ / kg  h 4
P4  P1  0,15 MPa
P2  1 MPa
77
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los
siguientes cambios:
–El refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -10ºC
–El refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 40ºC
–El compresor tiene un rendimiento adiabático del 80%
Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP
Tablas vapor
seco R12
0,15 MPa
T
v
h
s
ºC
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg'K
-10
0,114716
184,619
0,7318
h1  184,7 kJ / kg
s 1  0,732 kJ / kg K
Si el compresor fuera insoentrópico
s1  0,732 kJ / kg K  s 2S
41,64ºC  Psat = 1 MPa (Ej anerior)  Tablas vapor sobrecalentado R12 para P = 1 MPa
78
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los
siguientes cambios:
–El refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -10ºC
–El refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 40ºC
–El compresor tiene un rendimiento adiabático del 80%
Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP
Tablas vapor
seco R12
2s
T
v
h
s
ºC
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg' K
60
0.019410
217.810
0.7254
70
0.020397
225.32
0.7476
h2s  217,81  (225,32  217,81)
2
 comp 
1,00 MPa
h 2S  h 1
h 2  h1
0,8 
220  185
h 2  185
h 2  185 
0,732
0,732  0,7254
kJ
 220
0,7476  0,7254
kg
220  185
 185  43,8  229 kJ / kg
0,8
1
79
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior experimenta los
siguientes cambios:
–El refrigerante a la salida del evaporador está recalentado hasta -10ºC
–El refrigerante a la salida del condensador está subenfriado hasta 40ºC
–El compresor tiene un rendimiento adiabático del 80%
Calcular la capacidad de refrigeración real y el COP
0,6
kg
kJ
(185  74,5)
s
kg
 66,3 kW
108 %
W comp  m (h 2  h1 )  0,6
kg
kJ
(229  185 )
s
kg
 26,4 kW
130 %
Q evap  m (h1  h 4 ) 
COP 
Si el compresor fuera s = cte:
Qe
66,3

 2,51
Wc
26,4
Wcomp  m (h 2s  h1 )  0,6 (220  185)  21,2 kW
COP 
66,3
Qe

21,2  3,13
Wc
82 %
105 %
103 %
80
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo de dos etapas de refrigeración sustituye al ciclo del problema 1. Calcular la
capacidad de refrigeración y el COP y comparar los resultados con los del problema
1. Utilizar un caudal másico en el ciclo de baja de de 0,6 kg/s
81
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo de dos etapas de refrigeración sustituye al ciclo del problema 1. Calcular la
capacidad de refrigeración y el COP y comparar los resultados con los del problema
1. Utilizar un caudal másico en el ciclo de baja de de 0,6 kg/s
p int  p max p min
Tablas vapor
saturado R12
T,ºC
p,MPa
p,MPa
T,ºC
-20
0,1509
1,00
41,64
p int  1 0,151  0,389 MPa  0,4 MPa
Tablas vapor
saturado R12
Entalpía
Entropía
kJ/kg
kJ/kg K
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
T,ºC
p,MPa
hl
hl-v
hv
sI
sI-v
sv
-20
0,1509
17,800
160,810
178,610
0,0730
0,6352
0,7082
h1  178,6 kJ / kg
s1  0,7082 kJ / kg K  s 2
82
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo de dos etapas de refrigeración sustituye al ciclo del problema 1. Calcular la
capacidad de refrigeración y el COP y comparar los resultados con los del problema
1. Utilizar un caudal másico en el ciclo de baja de de 0,6 kg/s
Tablas vapor
saturado R12
p,MPa
Entalpía
Entropía
kJ/kg
kJ/kg K
Líquido
Sat
Evap.
Vapor
Sat
Líquido
Sat
Vapor
Sat
hl
hl-v
hv
sI
sv
T,ºC
0,40
8,15
43,64
147,33
190,97
0,1691
0,6928
1,00
41,64
76,26
127.50
203,76
0,2770
0,6820
h5  190,97 kJ / kg
h3  43,64 kJ / kg  h 4
h7  76,26 kJ / kg  h8
Tablas vapor
seco R12
T
1,00 MPa
0,4 MPa
v
h
s5  0,6928 kJ / kg K  s 6
s
s1  0,7082  s2
T
v
h
s
ºC
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg' K
ºC
m3/kg
kJ/kg
kJ/kg' K
20,0
0,045836
198,762
0,7199
50
0.01836
210.162
0.7021
0,7423
60
0.019410
217.810
0.7254
30,0
0,047971
205,428
h 2  205  (205  197 )
0,74  0,71
kJ
 196,3
0,74  0,72
kg
h 6  217  (217  210)
s5  0,6928  s 6
0,72  0,69
kJ
 207,3
0,72  0,70
kg
83
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Un ciclo de dos etapas de refrigeración sustituye al ciclo del problema 1. Calcular la
capacidad de refrigeración y el COP y comparar los resultados con los del problema
1. Utilizar un caudal másico en el ciclo de baja de de 0,6 kg/s
Q evap Baja  m Baja (h1  h 4 ) 0,6 kg / s (178,6  42,7) kJ / kg  81,5 kW
Qcond Baja  Q evap Alta
mBaja (h2  h3 )  m Alta (h5  h8 )
m Alta  mBaja
m Alta  m Baja
133 %
h 2  h3
h 5  h8
h2  h3
196,3  42,7
 0,6
 0,807 kg / s
h5  h8
190,6  76,3
Wcomp  Wcomp Alta  Wcomp Baja  m Alta (h 6  h 5 )  m Baja (h 2  h1 ) 
 0,8076
COP 
kg
kJ
kg
kJ
(207,3  190,6)
 0,6
(196,3  178,6)
 24,1 kW 119 %
s
kg
s
kg
Qe
81,5

24,1
Wc
 3,38
pero el equipo es más caro, y en realidad PCond Baja > PEvap Alta, lo que disminuye el COP
111 %
84
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Se desea producir una potencia frigorífica de 20 kW en un ciclo de refrigeración por
compresión simple donde se utiliza un gas R-22. La temperatura de saturación a la
que está evacuando el condensador calor son 40ºC. La temperatura de saturación a
la que está absorbiendo calor el evaporador son -20ºC. Si la potencia aplicada al
.
compresor
es de 9 kW, determinar el COP del ciclo y el rendimiento del compresor
85
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Se desea producir una potencia frigorífica de 20 kW en un ciclo de refrigeración por
compresión simple donde se utiliza un gas R-22. La temperatura de saturación a la
que está evacuando el condensador calor son 40ºC. La temperatura de saturación a
la que está absorbiendo calor el evaporador son -20ºC. Si la potencia aplicada al
.
compresor
es de 9 kW, determinar el COP del ciclo y el rendimiento del compresor
40ºC
h cte
s cte
-20ºC
86
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Se desea producir una potencia frigorífica de 20 kW en un ciclo de refrigeración por
compresión simple donde se utiliza un gas R-22. La temperatura de saturación a la
que está evacuando el condensador calor son 40ºC. La temperatura de saturación a
la que está absorbiendo calor el evaporador son -20ºC. Si la potencia aplicada al
.
compresor
es de 9 kW, determinar el COP del ciclo y el rendimiento del compresor
2s
3
2
4
1
87
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Se desea producir una potencia frigorífica de 20 kW en un ciclo de refrigeración por
compresión simple donde se utiliza un gas R-22. La temperatura de saturación a la
que está evacuando el condensador calor son 40ºC. La temperatura de saturación a
la que está absorbiendo calor el evaporador son -20ºC. Si la potencia aplicada al
.
compresor
es de 9 kW, determinar el COP del ciclo y el rendimiento del compresor
3
2s
p3= 15
4
p1= 2,4
Pto
1
2s
3
4
T (ºC)
-20
70
40
-20
P (bar)
2,4
15
15
2,4
1
h (kJ/kg)
395
445
250
250
h3= 250
h1= 395
h2s= 445
88
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Se desea producir una potencia frigorífica de 20 kW en un ciclo de refrigeración por
compresión simple donde se utiliza un gas R-22. La temperatura de saturación a la
que está evacuando el condensador calor son 40ºC. La temperatura de saturación a
la que está absorbiendo calor el evaporador son -20ºC. Si la potencia aplicada al
.
compresor
es de 9 kW, determinar el COP del ciclo y el rendimiento del compresor
COP 
2s
3
2
4
1
Q evaporador
Wcompresor
compresor 

20
 2,22
9
w ideal h2s  h1


w real
h2  h1
W  mref  h2  h1   h2 
W
 h1
mref
Q ev
h1  h 4
20 (kJ / s)

 0,138 kg / s
395  250 (kJ / s
Q ev  mref  h1  h 4   mref 
 mref
Pto
1
2s
3
4
T (ºC)
-20
70
40
-20
P (bar)
2,4
15
15
2,4
h (kJ/kg)
395
445
250
250
 h2 
 comp 
9
 395  460,22 kJ / kg
0,138
445  395
 0,77
460,22  395
89
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIV)
Ciclo Transcrítico (CO2) (I)
Con refrigerantes con Tcrit↓
(CO2 31ºC)
Si la Text es elevada, no es
posible condensar
Se enfría el gas a p cte (↑)
El líquido aparece en la etapa
de expansión
Tiene bajo rendimiento
Para evitar altas temperaturas de descarga en la compresión se debe
realizar un ciclo de dos etapas o en cascada
90
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIV)
Ciclo Transcrítico (CO2) (I)
Con refrigerantes con Tcrit↓
(CO2 31ºC)
T4 = 35ºC
Si la Text es elevada, no es
posible condensar
T2 = 118,3ºC
p = 10 MPa
Se enfría el gas a p cte (↑)
El líquido aparece en la etapa
de expansión
Tcrit = 30,98ºC
TE = -10ºC
Tiene bajo rendimiento
Para evitar altas temperaturas de descarga en la compresión se debe
realizar un ciclo de dos etapas o en cascada
91
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
TE = -10ºC
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXIV)
T4 = 35ºC
Ciclo Transcrítico (CO2) (I)
Con refrigerantes con Tcrit↓
(CO2 31ºC)
T4 = 35ºC
η
= 0,7
Si la Text es elevada,
no es
posible condensar
p = 10 MPa
isocomp
Se enfría el gas a p cte (↑)
T2 = 118,3ºC
El líquido aparece en la etapa
de expansión
Tiene bajo rendimiento
T2 = 118,3ºC
Tcrit = 30,98ºC
TE = -10ºC
COP = 1,774
Para evitar altas temperaturas de descarga en la compresión se debe
realizar un ciclo de dos etapas o en cascada
92
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXV)
R134a
T = 62,6ºC
T4 = 38ºC
TE = -10ºC
COP = 2,832
93
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXV)
Two Stage Cicle
T2 = 102,3ºC
T6 = 35ºC
p = 10 MPa
TE = -10ºC
COP = 1,786
94
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
2.- Refrigeración por Compresión (XXXXV)
Two Stage Cicle
T = 61,8ºC
T4 = 38ºC
R134a
R744
TE = -10ºC
95
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Bibliografía del Tema
Frío Industrial
P. C. Koelet
E. Torrella
La Producción de Frío
Ejercicios de Producción de Frío
J.M Pinazo; Cálculos
en Instalaciones Frigoríficas
S. Aroca, A. Mayoral,
Tecnología Frigorífica
96
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Bibliografía del Tema
ASHRAE HANDBOOKS (CD`s)
Fundamentals; Cap 1
Refrigeration; Cap 41
Climatización con Gas Natural
Sistemas de Absorción y Compresión
Gas Natural
Revistas nacionales:
• El Instalador
• Montajes e Instalaciones
97
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
http://www.calculaconatecyr.com/index.php
98
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
http://www.calculaconatecyr.com/index.php
99
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
http://www.calculaconatecyr.com/index.php
100
T.2.1.1.- Ciclos de Refrigeración por Compresión
Instalación
Refrigerantes
Ciclos
Balance Térmico
Tuberías
101