Tema 12: “Circuito frigorífico y bombas de calor”

Tema 12: “Circuito frigorífico y bombas de calor”
Guion
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Máquina frigorífica de compresión.
Elementos fundamentales de un circuito frigorífico.
Máquinas frigoríficas de absorción.
Diagrama general de una máquina frigorífica.
4.1 Foco caliente, foco frío y trabajo mecánico realizado.
4.2 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica.
Ciclo de Carnot en sentido inverso.
5.1 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de
Carnot en sentido inverso.
Bomba de calor.
Rendimiento de una bomba de calor.
Rendimiento de una bomba de calor en ciclo de Carnot.
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Las máquinas térmicas obtienen una transferencia de calor entre dos
recintos que están a distinta temperatura. Dependiendo de cómo sea la
transferencia buscada, tenemos dos tipos de máquinas:
• Un frigorífico recibe trabajo para absorber calor de un recinto a
baja temperatura y expulsarlo en otro a temperatura superior.
• Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto a
alta temperatura obteniendo calor de otro espacio a menor
temperatura.
1. Máquina frigorífica de compresión.
La refrigeración por compresión, consiste en comprimir adiabáticamente
un gas y hacerlo pasar por un condensador en el que libera calor a
presión constante. Se retiene el gas mediante una válvula de expansión
y a continuación el gas se expande en un evaporador absorbiendo calor.
2. Elementos fundamentales de un circuito frigorífico.
Los componentes de una máquina frigorífica deben ser, como mínimo,
los cuatro siguientes:
• Compresor: Donde se aumenta la presión del fluido de forma
adiabática. En este proceso se aumenta considerablemente la
temperatura.
• Condensador: El fluido a temperatura elevada atraviesa un conducto
donde libera el calor a presión constante.
• Regulador o Válvula de expansión: Es un estrechamiento que retiene
al fluido a presión.
• Evaporador: Por fin, tras ser liberado el fluido a este elemento, en él se
expande absobiendo calor.
3. Máquinas frigoríficas de absorción.
la refrigeración por absorción o por cambio de fase, consiste en
evaporar un fluido dentro de un recinto, del cual absorbe calor al cambiar
de estado. Después, un compresor se encarga de condensarlo de
nuevo, aumentando la presión, lo que además produce que aumente su
temperatura. Esto facilita que en otro intercambiador de calor el líquido
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ceda calor, enfriándose. A continuación pasa por un estrechamiento o
válvula de expansión, tras la cual pasa de nuevo al evaporador, donde
pierde bruscamente presión, razón por la que se evapora y se enfría, y
se vuelve a repetir el ciclo. Si nos fijamos, se trata de un ciclo Rankine
que se realiza en sentido contrario al de producción de potencia.
4. Diagrama general de una máquina frigorífica
Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que
transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía
térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor
que la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser
obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía
eléctrica mediante un motor eléctrico. Una máquina frigorífica es un
motor térmico funcionando a la inversa; en el motor térmico, el fluido
termodinámico obtiene calor del foco caliente, realiza trabajo mecánico y
cede calor al foco frío. En la máquina frigorífica, el fluido toma calor del
foco frío y lo cede al foco caliente. Como se puede observar la
transferencia de energía térmica se realiza en sentido contrario al que se
produce de forma espontánea en la naturaleza y, según el segundo
principio de la Termodinámica, esto sólo puede realizarse consumiendo
trabajo. Por tanto, el diagrama energético funcional de una máquina
frigorífica es el que se muestra en la figura. Esta transferencia se realiza
mediante un fluido frigorígeno o refrigerante, que en distintas partes de
la máquina sufre 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. Se cumple el
primer principio de la termodinámica: Qc = W + Qf
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4.1 Foco caliente, foco frío y trabajo mecánico realizado.
Tanto en el evaporador como en el condensador, el intercambio de
energía se hace principalmente en forma de calor latente. En las
máquinas frigoríficas el Ciclo de Carnot se invierte, de tal manera
que se emplea un trabajo (W) realizado por un motor o una fuente
eléctrica en extraer calor del foco frío, que será la cavidad del
frigorífico, (Ff) y cederlo al foco caliente, que será la atmósfera (Fc).
A continuación se pueden comparar los esquemas sencillos de
Carnot de una máquina térmica (motor) y una máquina frigorífica
(frigorífico o sistema de aire acondicionado).
4.2 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de
Carnot en sentido inverso.
El rendimiento térmico recibe el nombre de Coeficiente de
Operación (COP) del inglés, “Coefficient of performance” y, como
siempre, viene dado por la relación entre lo que se obtiene (absorber
o liberar calor) y lo que se gasta (trabajo). El COP es eficiencia, o
rendimiento de la máquina real no confundir con rendimiento, que
sería un porcentaje teórico de la máquina ideal.
W = QF - QC
COPfrigorífico = Qf / W = Qc –W / W = Tf / Tc – Tf
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5. Ciclo de Carnot en sentido inverso.
Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de
Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1del foco caliente a la
temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al
foco frío a la temperatura T2.
En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera
devapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el
trabajo y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.
La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso,
denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío
aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente. En un frigorífico real, el
motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer
un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente,
que es la atmósfera.
5.1 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de
Carnot en sentido inverso.
Económicamente, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae
la mayor cantidad de calor, Qf, del foco frío,Tf, con el menor trabajo
W. Es por ello que se define la eficiencia –que no rendimiento- de
una máquina frigorífica como el cociente Qf /W:
Eficiencia o COP = Qf / W = Qf / Qc – Qf = Tf / Tc - Tf
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6. Bomba de calor.
El objetivo de la bomba de calor es aportar la máxima cantidad de calor a
una estancia. Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto
a alta temperatura obteniendo calor de otro espacio a menor temperatura.
7. Rendimiento de una bomba de calor.
8. Rendimiento de una bomba de calor en ciclo de Carnot.