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TERMODINAMICA
APLICADA A LA
REFRIGERACION
Ciclos de refrigeración por
compresión de vapores
Termodinámica
La Termodinámica es la ciencia que
estudia
la
energía,
sus
transformaciones y su relación con
los estados de la materia.
Un sistema termodinámico puede ser
un objeto, una cantidad de materia o
una
región seleccionada para el
estudio, independizada del entorno,
que pasan a ser sus límites.
Ing. Roberto R. Aguiló
Energía
La energía tiene la capacidad para
producir
un
efecto
y
puede
distinguirse entre:
Energía
Almacenada
Potencial,
Cinética,
Nuclear)
Energía
Trabajo)
en
(Interna,
Química,
Movimiento
Ing. Roberto R. Aguiló
(Calor,
Propiedades
Una propiedad de un sistema es una
característica observable de este
sistema.
El estado de un sistema es definido
por un listado de sus propiedades.
Las propiedades termodinámicas mas
comunes son: temperatura (T),
presión (p) y volumen especifico (v) .
Ing. Roberto R. Aguiló
Propiedades
Cada propiedad para un estado dado
de una sustancia tiene un único valor
y una propiedad siempre tiene el
mismo valor para un determinado
estado.
Una sustancia pura tiene una
composición química homogénea e
invariable. Puede existir en mas de
una fase, pero la composición
química es la misma en todas las
fases.
Ing. Roberto R. Aguiló
Presión
Se define como la fuerza ejercida
por unidad de área.
La
presión
es
una
variable
operacional fácilmente medible en
un sistema de refrigeración.
pabs = pman + patm
Ing. Roberto R. Aguiló
Temperatura
Se puede definir como una medida
del nivel de intensidad térmica (o
energía) de un cuerpo.
Podemos decir que si ponemos dos
cuerpos en contacto
y no se
producen
variaciones
en
los
parámetros
termodinámicos
de
ninguno de los dos cuerpos, los dos
se hallan a la misma temperatura.
Ing. Roberto R. Aguiló
Volumen Específico
Se define como el volumen ocupado
por la unidad de masa de una
sustancia o material.
Se mide en m3/kg
Es la inversa de la densidad.
v = 1 /ρ
ρ
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Procesos y Ciclos
Termodinámicos
Un proceso es un cambio en el estado
de la materia que se define por
cualquier cambio en las propiedades
del sistema.
Un ciclo es un proceso o una serie de
procesos donde el estado inicial del
sistema coincide con el estado final
Ing. Roberto R. Aguiló
Primer Principio
El
primer
principio
de
termodinámica
es
el
conservación de la energía y
puede decir que la energía no
crea ni se destruye, solo
transforma.
Q=W+dU
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la
de
se
se
se
Entalpía
Se define como la suma de la
energía interna más el producto de
la
presión
por
el
volumen
específico.
h=u+p.V
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Entalpía
La entalpía es una función de
estado del fluido. Depende sólo de
dicho estado sin importar la
transformación que realizó para
llegar a él.
La entalpía es
cálculos térmicos
muy
útil
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para
Entropía
La entropía es también una función
de estado y su valor no depende de
la transformación que se realice.
La variación de entropía al recorrer
un ciclo reversible es igual a cero.
Ing. Roberto R. Aguiló
Segundo Principio
El segundo principio de la termodinámica
puede enunciarse diciendo que es imposible
transformar la totalidad del calor Q,
entregando el fluido que evoluciona en
trabajo
mecánico
mediante
cualquier
máquina térmica.
Otra forma de enunciarlo sería la establecida
por Clausius que dice que es imposible
transportar directa o indirectamente el calor
de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, a
menos que haya simultáneamente entrega
de trabajo o transporte de calor de un cuerpo
caliente a un cuerpo frío.
Ing. Roberto R. Aguiló
Entropía
Matemáticamente la entropía se
representa como la razón de la
cantidad de energía Q, que se
intercambia
al
recorrer
una
transformación infinitesimal dl, y la
temperatura absoluta a la que
ocurre dicho intercambio.
dS = dQ/T
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Diagrama
Temperatura - Entropía
Es un diagrama muy utilizado en
termodinámica, especialmente para
estudiar
las
evoluciones
en
máquinas térmicas
La temperatura absoluta se ubica en
el eje de ordenadas y la entropía en
el eje de abscisas.
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Ciclo de Refrigeración
de Carnot
Es un ciclo ideal
Es el más eficiente de todos los
ciclos posibles operando entre dos
temperaturas dadas
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Ciclo de Refrigeración de Carnot
INTERCAMBIADOR DE
ALTA TEMPERATURA
DISPOSITIVO DE
EXPANSION
COMPRESOR
INTERCAMBIADOR DE
BAJA TEMPERATURA
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Ciclo de Refrigeración de Carnot
Ing. Roberto R. Aguiló
Diagrama
Presión - Entalpía
La presión y la entalpía son las
coordenadas
que
se
usan
normalmente
para
representar
gráficamente las propiedades de los
refrigerantes.
Se incluyen también curvas de
temperatura, volumen especifico y
entropía.
Ing. Roberto R. Aguiló
Diagrama Presión - Entalpía
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Temperatura de
Saturación
Es a la cual un fluido cambia de la fase
líquida a la gaseosa y viceversa
Para una determinada presión es la
temperatura máxima que puede tener
el líquido y la mínima que puede tener
el vapor
Es diferente para distintos fluidos, y
para cada uno en particular varia
considerablemente con la presión
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Calor Latente de
Ebullición
Es la cantidad de energía que debe
absorber un fluido para pasar de la
fase líquida a la gaseosa
Es diferente para distintos fluidos, y
para cada uno en particular varia
considerablemente con la presión
Al aumentar la presión aumenta la
temperatura de saturación del fluido
y disminuye el calor latente de
ebullición
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Sobrecalentamiento
Es el calor sensible del vapor
Una vez que el fluido ha sido
totalmente evaporado la energía que
se le sigue entregando aumenta su
temperatura sobre la de saturación
Para
una
determinada
presión,
cuando la temperatura del vapor es
mayor a la de saturación, se dice que
el vapor esta sobrecalentado
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Diagrama p-h - Isotermas
Son las líneas
de temperatura
constante
Para
su
medición
se
usan
distintas
escalas
Ing. Roberto R. Aguiló
Diagrama p-h
Líneas de Título
Se encuentran
dentro de la
curva
campana.
Indican
cual
es
la
proporción
entre líquido y
vapor.
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Diagrama p-h
Isoentrópicas
Son las líneas
que unen los
puntos con la
misma
entropía.
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Diagrama p-h - Isocoras
Son las líneas que
unen los puntos
con
el
mismo
volumen
especifico.
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Diagrama
Presión - Entalpía
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Ciclo de Refrigeración
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Rendimiento
Se define como rendimiento de un
ciclo frigorífico a la razón entre el
efecto refrigerante neto y el
trabajo de compresión.
Se lo conoce también como COP
(coeficiente de performance)
COP = E.R.N./ Wc
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Ciclo de refrigeración
Rendimiento
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Ciclo de refrigeración
Subenfriamiento
Ing. Roberto R. Aguiló
Rendimiento con
subenfriamiento
A mayor efecto refrigerante neto,
permaneciendo
el
trabajo
de
compresión constante, mayor será
el rendimiento.
Si E.R.N.2 > E.R.N.1
Implica que aumenta el COP
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Ciclo de refrigeración
Sobrecalentamiento
Ing. Roberto R. Aguiló
Rendimiento con
sobrecalentamiento
A mayor trabajo de compresión,
permaneciendo
el
efecto
refrigerante neto, menor será el
rendimiento.
Si WC2 > WC1
Implica que disminuye el COP
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Refrigeración y
Acondicionamiento de
Aire
Tienen el mismo objetivo: enfriar una
sustancia
Comparten componentes similares en
los equipos
El principio de funcionamiento de
ambos sistemas es mayormente el
ciclo mecánico de compresión de
vapores.
Ing. Roberto R. Aguiló
Refrigeración
El campo de aplicaciones de
refrigeración tiene temperaturas
que cubren entre los 15°C y los
-60°C mayoritariamente, para la
evaporación y entre los 20°C y
50°C para la condensación.
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Compresión en Doble Etapa
Es una alternativa más compleja y
más costosa, pero presenta una
eficiencia mayor que la anterior.
Ing. Roberto R. Aguiló
Sistema Doble Etapa
Ing. Roberto R. Aguiló
Compresión en Doble Etapa
La operación más eficiente del sistema se
dará cuando la presión intermedia tome
el siguiente valor:
pi = (pcond x pevap)
0,5
Ing. Roberto R. Aguiló
Comparación
Ing. Roberto R. Aguiló
Comparación Ciclos -30ºC / +30ºC
Ciclo Subcrítico
Presión
bar psi
Subcrítico
Ing. R. R. Aguiló
Entalpía
Ciclo Transcrítico
Presión
bar psi
Ing. R. R. Aguiló
Entalpía