Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot de Refrigeración Sesión 8 1 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 1 Ciclo de Carnot “Cuando un equipo trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior, el rendimiento queda definido por:” 2 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 2 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 1 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot Considerando un ciclo ideal, los procesos pueden revertirse y por ende el ciclo completo. En tal caso, la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. A esto se le denomina “Ciclo de Carnot Invertido” 3 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 3 Ciclo de Carnot Si el objetivo de la máquina es extraer calor de la fuente fría se le llama máquina frigorífica. Si el objetivo es ceder calor a la fuente caliente se le denomina bomba de calor 4 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 4 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 2 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot Invertido (Refrigeración), en un diagrama T – s.5 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 5 Ciclo de Carnot Calor Total Transferido Trabajo Neto Realizado Calor Aportado Al Refrigerante Calor Cedido Por El Refrigerante Ciclo de Carnot Invertido (Refrigeración), en un diagrama T – s.6 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 6 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 3 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot CICLO IDEAL El coeficiente de operación o de desempeño b de cualquier ciclo de refrigeración, es la relación entre el efecto refrigerante y el trabajo neto necesario para producir dicho efecto. 7 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 7 Desviaciones respecto del ciclo de Carnot 8 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 8 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 4 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot DESVIACIONES RESPECTO DEL CICLO CARNOT En sistemas reales la transferencia de calor no ocurre reversiblemente. Producir una transferencia de calor en el foco frío, con un evaporador de tamaño adecuado, requiere que la temperatura del refrigerante sea menor que TF. Conseguir una transferencia de calor en el foco caliente suficiente desde el refrigerante, exige una temperatura del refrigerante en el condensador superior unos grados a TC. 9 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 9 Ciclo de Carnot DESVIACIONES RESPECTO DEL CICLO CARNOT Mantener estas temperaturas en el refrigerante reducen el coeficiente de desempeño. La compresión no se puede realizar con mezcla bifásica líquido – vapor, conocida como compresión húmeda, es impráctica de manera real. 10 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 10 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 5 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo de Carnot Desviaciones respecto del ciclo carnot, en un diagrama T – s, . 11 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 11 Ciclo de Refrigeración por compresión Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión seca , en un diagrama T – s. 12 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 12 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 6 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión No se toman en cuenta las irreversibilidades dentro del evaporador y el condensador. Se desprecia la caída de presión por rozamiento, el refrigerante fluye a presión constante en los dos intercambiadores de calor. La compresión se produce sin irreversibilidades, y se desprecia la transferencia de calor al ambiente, la compresión es isoentrópica. 13 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 13 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión PROCESOS. Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del refrigerante desde el estado 1 hasta la presión del condensador en el estado 2. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde refrigerante que fluye a presión constante en el condensador. El refrigerante sale como líquido en el estado 3. Proceso 3-4: Estrangulación desde el estado 3 hasta la mezcla bifásica líquido – vapor en 4. Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia refrigerante que fluye a presión constante a través del evaporador hasta completar el ciclo. 14 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 14 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 7 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión CÁLCULO DE TRANSFERENCIAS. Proceso 4-1: El calor transferido desde el espacio refrigerado al refrigerante, a su paso por el evaporador. Produce la vaporización. El balance de energía y masa da: Es la capacidad de refrigeración. 15 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 15 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión CÁLCULO DE TRANSFERENCIAS. Proceso 1-2: El refrigerante deja el evaporador y es comprimido a una presión relativamente alta en el compresor. Se considera un proceso adiabático. El balance de energía y masa da: Es trabajo de entrada. 16 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 16 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 8 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión CÁLCULO DE TRANSFERENCIAS. Proceso 2-3: El refrigerante pasa a través del condensador, donde hay una transferencia de calor desde el refrigerante hacia el medio que lo enfría. El balance de energía y masa da: Es el calor de salida al medio caliente. 17 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 17 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión CÁLCULO DE TRANSFERENCIAS. Proceso 3-4: El refrigerante en el estado 3 entra a la válvula de expansión y se expande hasta la presión del evaporador, es una estrangulación. El balance de energía y masa da: La presión disminuye adiabáticamente 18 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 18 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 9 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ejemplo 1: Ciclo Ideal No se toman en cuenta las irreversibilidades dentro del evaporador y el condensador. Se desprecia la caída de presión por rozamiento, el refrigerante fluye a presión constante en los dos intercambiadores de calor. La compresión se produce sin irreversibilidades, y se desprecia la transferencia de calor al ambiente, la compresión es isoentrópica. 19 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 19 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión An ideal vapor-compression refrigeration cycle operates at steady state with Refrigerant R134a as the working fluid. Saturated vapor enters the compressor at 10°C, and saturated liquid leaves the condenser at 28°C. The mass flow rate of refrigerant is 5 kg/min. Saturated Liquid T = 28°C 2 3 Saturated Vapor T = -10°C Determine (a) the compressor power, in kW. (b) the refrigerating capacity, in tons. (c) the coefficient of performance. 20 4 1 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 20 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 10 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión ESTADOS PUNTO: Vapor Saturado: A la salida del condensador, entrando a la succión del compresor Vapor Sobrecalentado: A la descarga de compresor, entrando al condensador Líquido Subenfriado: A la salida del condensador, entrando a la válvula de expansión Vapor Húmedo: A la salida de la válvula, entrando al evaporador. 21 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 21 Propiedad Estado Presión P (kPa) Temperatura T (°C) Entalpía h (kJ/kg) Entropía s (kJ/kg K) Título 1 Vapor Saturado 201.22 -10 241.34 0.9253 ------- 2 Vapor Sobrecalentado 726.75 32.83 267.83 0.9253 ------- 3 Líquido Saturado 726.75 28 88.61 0.3302 ------- 4 Vapor Húmedo 201.22 -10 88.61 0.345 0.253 Punto 22 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 9/29/2019 22 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 11 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Properties of Saturated Refrigerant 134a (Liquid–Vapor): Temperature Table 23 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 23 Properties of Superheated Refrigerant 134a Vapor 24 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 24 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 12 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Ciclo Ideal de Refrigeración por compresión PROCESOS. Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del refrigerante desde el estado 2. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde refrigerante que refrigerante sale como líquido en el estado 3. Proceso 3-4: Estrangulación desde el estado 3 hasta la mezcla Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia refrigerante que fluye hasta completar el ciclo. 25 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 25 Propiedad Punto Estado 1 Vapor Saturado 2s Vapor Sobrecalentado 2 Vapor Sobrecalentado 3 Líquido Saturado 4 Vapor Húmedo 26 Presión P (kPa) Temperatura T (°C) Entalpía h (kJ/kg) Ing. José Luis Torres Gutiérrez Entropía s (kJ/kg K) Título 9/29/2019 26 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 13 Refrigeración y Aire Acondicionado 29/09/2019 Tiempo para hacer una pregunta en equipo 27 Refrigeración y Aire Acondicionado FIN GRACIAS Sesión 8: Ciclo inverso de Carnot 28 Ing. José Luis Torres Gutiérrez 29/09/2019 28 Ing. José Lui sTorres Gutiérrez 14
