CORRECCION ciclos de refrigeracion(Schiantarelli)

SAVE OFFLINE

CICLOS DE REFRIGERACION Introducción Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración. Los ciclos más utilizados son: • compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. • ciclo de refrigeración de gas, donde el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa. Entonces podemos decir que los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura es la bomba de calor.

Coeficiente de desempeño(cop) La eficiencia térmica “η”, representa la fracción de calor, “Q H”, que se convierte en trabajo “W”

Pero en bombas de calor y refrigeradores, el trabajo no es una salida. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Desde un punto de vista económico, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que elimina la mayor cantidad de calor del interior del refrigerador para el menor gasto de trabajo mecánico o energía eléctrica. La relación relevante es, por tanto, cuanto mayor sea esta relación, mejor será el refrigerador. Llamamos a esta relación el coeficiente de desempeño, denotado por COP. El COP de un refrigerador se define como el calor extraído del depósito frío Q frío (dentro de un refrigerador) dividido por el trabajo W realizado para eliminar el calor (el trabajo realizado por el compresor).

1

Como se puede ver, mejor (más eficiente) es el refrigerador cuando más calor Q frío se puede quitar del interior del refrigerador para una cantidad determinada de trabajo. Dado que la primera ley de la termodinámica debe ser válida también en este caso (Q frío + W = Q caliente ), podemos reescribir la ecuación anterior:

Para un refrigerador ideal (sin pérdidas e irreversibilidades) se puede derivar que:

Ejemplo con aire acondicionado frio calor: Una bomba de calor reversible tiene un coeficiente de rendimiento, COP = 3.0, cuando funciona en modo calefacción. Su compresor consume 1500 W de energía eléctrica. 1. Calcular la cantidad de calor (Q caliente) que la bomba de calor puede agregar a una habitación? 2. Si la bomba de calor se cambiara al modo de enfriamiento (es decir, para actuar como aire acondicionado en el verano), ¿cuál esperaría que fuera su coeficiente de rendimiento? Suponga que todo lo demás permanece igual y descuide todas las demás pérdidas.

2

Solución: De la COP, que se define como:

La cantidad de calor que la bomba de calor puede agregar a una habitación es igual a: Q caliente = calentamiento COP x W = 3 x 1500 = 4500 W o 4500 J / s En el caso del modo de enfriamiento, la bomba de calor (aire acondicionado) con motor de 1500 W puede llevar el calor Q frío desde el interior de la casa y luego descargar Q caliente = 4500 W al calor exterior. Usando la primera ley de la termodinámica, que establece: Q frío + W = Q caliente Q frío= 4500W-1500w obtenemos el calor, Q fría = 3000 W De la definición: COP refrigeración = 3000/1500 = 2 Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor Es un ciclo de Carnot invertido donde se evapora un refrigerante por completo antes de que se comprima, y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o un tubo capilar.

3

En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones: • En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. • Para la expansión el refrigerante se utilizar un dispositivo más económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar). • La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación.

Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y, por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a:

Q entrada - Q salida = W entrada - W salida = h salida - h entrada El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor pueden expresarse como:

𝐶𝑂𝑃𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =

𝑄𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ℎ1 −ℎ4

=

W𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 ℎ2 −ℎ1

=

4

1-2 Compresión isentrópica en un compresor. 2-3 Rechazo de calor a presión constante de un condensador. 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión. 4-1 Absorción de calor a presión constante.

En un refrigerador doméstico los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como el evaporador. Los serpentines detrás del refrigerador, donde el calor se disipa en el aire de la cocina, sirven como el condensador.

5

Ejemplo de un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor: En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo, y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo másico del refrigerante es de 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. b) la tasa de rechazo de calor al ambiente y c) el COP del refrigerador. c) el COP del refrigerador Como es un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el compresor se considera isentrópico mientras que el refrigerante deja al condensador como un líquido saturado y entra al compresor como vapor saturado. A partir de las tablas del refrigerante 134a, las entalpías del refrigerante en los cuatro estados se determinan como sigue: 𝑃 1 = 0.14 MPa → ℎ1 = ℎ𝑔𝑎𝑠

𝑎 0.14𝑀𝑃𝑎

= 239.16 𝑘𝐽/𝑘𝑔

𝑠1 = 𝑠𝑔𝑎𝑠

𝑎 0.14𝑀𝑃𝑎

= 0.94456 𝑘𝐽°𝐾/𝐾𝑔

𝑃 2 = 0.8 MPa y 𝑆2 = 𝑆1 → ℎ2 = 275.39 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑃 3 = 0.8MPa → ℎ3 = ℎ𝑓

𝑎 0.8𝑀𝑃𝑎

= 95.47 𝑘𝐽/𝑘𝑔

ℎ 4 ≅ ℎ3 (𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) → ℎ4 = 95.47 𝑘𝐽/𝑘𝑔 a) La tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor se determinan por sus definiciones: 𝑄𝐿 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜 × (ℎ1 − ℎ4 ) =0.05kg/s× [(239.16 − 95.47)𝑘𝐽/𝑘𝑔] = 𝟕. 𝟏𝟖 𝒌𝑾 𝑤𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑓𝑚 × (ℎ2 − ℎ1 ) =0.05kg/s× [(275.39 − 239.16)𝑘𝐽/𝑘𝑔] = 𝟏. 𝟖𝟏 𝒌𝑾

b) La tasa de rechazo de calor del refrigerante al ambiente es: 𝑄ℎ = 𝑓𝑚 × (ℎ2 − ℎ3 ) =0.05kg/s× [(275.39 − 95.47)𝑘𝐽/𝑘𝑔] = 𝟗 𝒌𝑾

También puede ser determinado de: 𝑄ℎ = 𝑄𝐿 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 7.18 + 1.81 = 𝟗𝒌𝒘 c) El coeficiente de desempeño del refrigerador es: 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =

𝑄𝐿 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

=

7.18 = 3.97 1.81

6

Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor La principal diferencia entre el ciclo de refrigeración ideal y el ciclo de refrigeración real es que este ultimo es irreversible en varios componentes.

• Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección.

• Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor.

• Influencia de las irreversibilidades en el condensador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante)

7

Como dijimos antes, el proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2_) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1-2_ puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo es más pequeños en este caso. De este modo, el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresión siempre que sea práctico y económico hacerlo.

8