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Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TEMA 9: MÁQUINA FRIGORÍFICA Y BOMBA DE CALOR 1.- Máquina frigorífica Máquina frigorífica es el dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar para hacerla inferior a la de su entorno. La máquina frigorífica toma una cantidad de calor Q2 de un foco frio denominado “evaporador” y cede una cantidad de calor Q1 a un foco caliente llamado “condensador”. Foco caliente Para que este proceso tenga lugar es necesario suministrar CONDENSADOR una cierta cantidad de energía W. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida a partir de un motor eléctrico o compresor Q1 La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorígeno, que en distintas partes de la máquina sufre Máquina Frigorífica W transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.. Q2 (Eútil) Los fluidos frigorígenos son sustancias que cambian de estado por condensación o evaporación, a presiones y temperaturas determinadas. Foco frio EVAPORADOR - Evaporación: paso de líquido a gaseoso (con suministro de calor). - Condensación o licuefacción: paso de gaseoso a líquido (enfriando, sustrayendo calor) Los fluidos frigorígenos no deben ser tóxicos, ni fácilmente inflamables. Cálculo de la eficiencia o rendimiento: Eútil Eabsorbida Q2 Q2 T2 W Q1 Q2 T1 T2 Constitución y funcionamiento: Las máquinas frigoríficas más extendidas son las de compresión y están constituidas por cuatro elementos básicos: compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador. El evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar su condensación y posibilitar la circulación del fluido. En el condensador el fluido cambia de fase pasando de gas a líquido. La válvula de expansión reduce posteriormente la presión provocando el enfriamiento del refrigerante. 1 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Q1 Condensador Sistema de expansión Compresor Evaporador Condensador Q2 Q1 Ciclo teórico presión-volumen (Carnot) P Q1 3 Válvula de expansión 2 Compresor + Motor de arranque 1 4 Q2 V Evaporador Q2 Está formado por dos transformaciones adiabáticas y dos isóbaras 1 2 : Compresor: comprime el fluido frigorígeno que le llega en estado de vapor, con lo que reduce su volumen y aumenta su presión y su temperatura. Y facilita la circulación del fluido a lo largo del ciclo. 2 3 : Condensador: es un intercambiador de calor donde se licua el fluido frigorígeno por circulación de aire o de agua. En este proceso se cede una cantidad de calor Q1 y el fluido disminuye su volumen, a presión constante. 3 4 : Sistema de expansión: el fluido líquido se expansiona disminuyendo su presión y aumentando su volumen. Este proceso supone una reducción brusca de temperatura. 4 1 : Evaporador: es un intercambiador de calor donde el fluido entra a baja presión y temperatura. El evaporador absorbe calor del recinto donde está situado Q2 y transforma el fluido en vapor, y provoca enfriamiento de su entorno. 2 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz 2.- Bomba de calor Es una máquina frigorífica capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un determinado espacio. La bomba de calor está destinada y proyectada para producir un efecto frigorífico en el evaporador y un efecto calorífico en el condensador. Foco caliente Cálculo de la eficiencia o rendimiento: CONDENSADOR Q1(Eútil) Máquina Frigorífica W Eútil Eabsorbida Q1 Q1 T1 W Q1 Q2 T1 T2 Las bombas de calor reversibles pueden funcionar como dispositivos de calefacción en invierno o como máquina frigorífica en verano. Llevan una válvula inversora de ciclo que se encuentra a la salida del compresor y, según la temperatura del medio a climatizar (medida en la presión de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante. Q2 Foco frio EVAPORADOR Constitución y funcionamiento: Las bombas de calor más extendidas son las de compresión y están constituidas por cuatro elementos básicos: compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador. Q1 Local calentado Condensador Sistema de expansión Compresor Evaporador Local refrigerado Q2 Tanto el esquema como el ciclo termodinámico P-V, son iguales a los estudiados en máquinas frigoríficas. El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su presión y aumenta su temperatura. Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí cede calor al foco caliente Q1, por lo que el fluido se enfría y cambia a estado líquido. Después, a la salida del condensador, se le hace atravesar por una válvula de expansión, lo cual supone una brusca caída de presión. A esa presión, el fluido refrigerante empieza a evaporarse. Este efecto se aprovecha en el intercambiador de calor llamado evaporador y con ello absorbe calor del foco frío Q2. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo. 3 Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz 3.- Ejercicios: PAU Junio 2011/2012 a) Indique los elementos fundamentales de un sistema de refrigeración empleando vapor. b) Describa lo que le ocurre al fluido refrigerante en cada uno de ellos. c) Indique una desviación respecto al ciclo de Carnot reversible que ocurre en los sistemas reales de refrigeración Ejercicio PAU Junio 2010/2011 El frigorífico de un restaurante tiene dos compartimentos aislados, con dos máquinas independientes: una para refrigeración a 4 °C y otra para congelación a -25 °C. Sabiendo que ambas máquinas funcionan de acuerdo al Ciclo de Carnot, y que la temperatura media del local donde se encuentra el frigorífico se mantiene en 25 °C, calcule: a) La eficiencia de la máquina utilizada para refrigeración. b) La eficiencia de la máquina utilizada para congelación. 4
