Ciclos de Refrigeración

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Ciclos de Refrigeración
Ciclos de Refrigeración
El objetivo de un ciclo de refrigeración es llevar a cabo
una transferencia calor desde un Depósito de menor
temperatura hacia un Depósito de mayor temperatura.
Para ello es necesario emplear trabajo de eje,
suministrado por una fuente externa.
Depósito Caliente
TH
QH
WS
QL
TL
Depósito Frío
Los ciclos de refrigeración operan de manera inversa a
como lo hace un ciclo de potencia.
Los Ciclos de Refrigeración son denominados Bombas
de Calor, en vista que transfieren calor desde un
deposito frío a un depósito caliente.
Ciclos de Refrigeración de Carnot
El ciclo de Refrigeración (o Frigorífico) de Carnot, opera en sentido inverso a
como lo hace el ciclo de Potencia de Carnot. Emplea vapor como fluido de trabajo,
y sus condiciones de operación son reversibles.
El ciclo Frigorífico de Carnot presenta la máxima eficiencia posible de lograr, por
lo cual es empleado como estándar, para la comparación de ciclos reales (Segundo
Principio de la Termodinámica).
Ciclos de Refrigeración 189
Condensador
QH(-)
3
4
WST(-)
Compresor
Expansor
WSC(+)
2
1
Evaporador QL(+)
T
TH
3
4
2
1
TL
QL
Ŝ
Evaporador: mezcla líquido−vapor es vaporizada reversible e isotérmicamente
(TL), de manera de aumentar la calidad del vapor.
(E): ∆H L = H 2 − H1 = Q L
(S): ∆SL =
QL
TL
Ciclos de Refrigeración 190
Q L = TL ∆SL = TL (S2 − S1 )
El calor absorbido en el evaporador corresponderá a la energía desde el cuerpo que
se desea enfriar hacia el fluido refrigerante.
Compresor: compresión reversible y adiabática de la mezcla líquido−vapor, hasta
la condición final de vapor saturado.
(E): ∆H C = H 3 − H 2 = WSC
(S): ∆S C = 0
S3 − S 2 = 0
Condensador: vapor saturado ingresa al condensador, donde reversible e
isotérmicamente (TH), se transforma en líquido saturado.
(E): ∆H H = H 4 − H 3 = Q H
(S): ∆SH =
QH
TH
Expansor: expansión reversible y adiabática del líquido saturado. Condición final
corresponde a una mezcla líquido−vapor.
(E): ∆H E = H1 − H 4 = WSE
(S): ∆SSE = 0
S1 − S4 = 0
Ciclos de Refrigeración 191
Neto
E
C
El trabajo de eje neto obtenido del ciclo: WS = WS + WS
E
C
Balance de energía para el ciclo (reversible): ∆H = WS + WS + Q H + Q L = 0
WSNeto = Q H + Q L
Balance de entropía para el ciclo (reversible): ∆S H + ∆S L = 0
QH QL
+
=0
TH TL
Q L = −TL
QL
TL
Q H = −TH ∆SL
Q H = TH ∆SH = TH ( S4 − S3 )
(<0)
Q L = TL ∆SL = TL ( S2 − S1 )
(>0)
Q NETO = Q H + Q L
(<0)
Coeficiente de Performance: CoP
CoP = Cantidad de calor retirado / Trabajo de eje Neto
CoP =
QL
WSNeto
Ciclos de Refrigeración 192
WSNeto = Q L − TH
CoP =
−1
1 − TH TL
CoP =
TL
TH − TL
⎡ T ⎤
QL
= Q L ⎢1 − H ⎥
TL
⎣ TL ⎦
En general, la operación de compresores o expansores debería no considerar el uso
de mezclas de vapor - líquido, para evitar causar daños mecánicos.
En ciclos de refrigeración se suele remplazar el expansor por una válvula de
expansión isoentálpica (de estrangulamiento). Su objetivo es idéntico, expandir el
fluido hasta la presión deseada.
Condensador
4
QH(-)
3′ Preenfri
3
Compresor
Válvula de
Expansión
WSC(+)
2
1
Evaporador QL(+)
Ciclos de Refrigeración 193
T
TH
3
4
3′
TL
1
2
Ŝ
Aun cuando existe una pérdida de trabajo de eje, al remplazar el expansor por la
válvula isoentálpica, que no es posible de recuperar, los menores costos
involucrados, y la posibilidad de operar en presencia de mezclas de vapor y
líquido, compensan dicha pérdida.
T constante
P
PH
PL
4
3′
1
2
3
S constante
Ĥ
En el análisis de ciclos de refrigeración se acostumbra a emplear una unidad
particular de enfriamiento: "ton"; 1 ton = 12000 Btu/h, y corresponde a la
velocidad de enfriamiento que debe suministrarse a una tonelada (2000 lbm) de
hielo fundido por día.
Ciclos de Refrigeración 194
En los procesos de refrigeración, la elección del refrigerante es de gran
importancia. Entre otras características que debe poseer un refrigerante están:
•
No tóxico
•
No inflamable
•
No corrosivo
•
Adecuadas condiciones
de presión de vapor
•
Bajo costo
Entre los refrigerantes más comúnmente utilizado se encuentran los hidrocarburos
halogenados, denominados freones; Freón-12, Freón-22, Freón-503.
Ciclos en Cascada
Los ciclos de refrigeración ordenados en cascada son empleados cuando es
necesario alcanzar temperaturas extremadamente bajas como las temperaturas
criogénicas.
Válvula de
Expansión
III
Evaporador
QL(+)
Válvula de
Expansión
Válvula de
Expansión
II
I
Q
Q
Fluido de
Enfriamiento
Compresor WSC(+)
Compresor WSC(+)
Compresor WSC(+)
Cada una de las etapas utiliza un refrigerante con diferente punto de ebullición,
disminuyendo desde la etapa I a la etapa III. En general. De tres a cuatro etapas
corresponde al máximo límite práctico.
− 100 °C
− 50 °C
− 60 °C
− 10 °C
− 20 °C
30 °C
10 °C
Ciclos de Refrigeración 195
Ciclos en Binarios