Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN) Mecánica de Fluidos y

Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN)
Mecánica de Fluidos y Termodinámica (ITN)
TD. T6.- Ciclos de Refrigeración
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
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Termotecnia y Mecánica de Fluidos (DMN)
Mecánica de Fluidos y Termodinámica (ITN)
TD. T6.- Ciclos de Refrigeración
Objetivos:
En este tema se describen los principales métodos de producción de frío
industrial (compresión y absorción), y sus ciclos termodinámicos de
funcionamiento
El tema se complementa con una práctica de simulación por ordenador de
ciclos de refrigeración de compresión y absorción
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
1.- Introducción
Q
1.- Introducción
2.- Refrigeración por compresión
3.- Refrigeración por absorción
4.- Bombas de calor
5.- Otros ciclos de refrigeración
;
W
Son máquinas térmicas inversas
Son ciclos en los que Q va de ↓T a  T
Q
Necesita el aporte de energía
(compresor, calor, …)
Interviene un fluido, refrigerante, sufre transformaciones termodinámicas
controladas
Cada refrigerante tiene un diagrama con sus propiedades termodinámicas
Además de compresión y absorción existen otros sistemas (marginales)
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (I)
Basado en los cambios de estado (líquido-vapor y vapor-líquido) de un
fluido refrigerante
T de cambio de estado = f(p) (si p↓ la T↓, si p↑ la T ↑)
Calores latente >> Calor sensibles ⇒ ↓ la cantidad refrig y tamaño maq.
Su busca tener un líquido a baja p y T para evaporarlo
El calor requerido lo toma de los alrededores, ⇒ los enfría
En un sistema abierto el refrigerante se perdería en la atmósfera; lo
normal es trabajar con ciclos de refrigeración
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (II)
Ciclo de compresión
Los elementos requeridos son:
• evaporador
• compresor
• condensador
• expansión
Líneas características del
diagrama de un refrigerante
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (III)
Los límites de funcionamiento de un equipo son:
• En el evaporador: la T de la cámara > T del refrig
• En el condensador: la T ambiente < T del refrig
Para calcular el rendimiento del ciclo de compresión
hay que conocer las energías y los calores;
• El calor extraído de la cámara es:
(h1 - h4) (kJ/kg)
• El calor cedido al exterior es:
(h2 – h3) (kJ/kg)
• El trabajo útil del compresor es:
(h2 – h1) (kJ/kg)
3
4
2
1
estos valores se obtienen del diagrama, ó de las tablas
COP (coefficient of performance)
COP =
Calor Extraido (h1 − h 4 )
Trabajo Compresor (h 2 − h1 )
En función de las temperaturas del ciclo, puede ser superior a 3
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (IV)
Análisis Termodinámico (I):
• Etapa de compresión (1-2)
w admisión (b−1) = p1 v 1
w comp (1−2 ) = si (S = cte) ⇒ q = 0 = −Δu = u1 − u2
[P.P.T. ⇒ q = u + w ]
w impulsión ( 2−a ) = −p 2 v 2
w ( a −b ) =
v = cte
=0
w Ciclo Comp = (p1v 1 ) + (u1 − u2 ) − (p 2 v 2 ) = h1 − h2
• Etapa de condensación (2-3), p cte
[P.P.T.]
q=
∫
3
2
du +
∫
3
2
dw =
∫
3
2
du +
∫
3
2
p dv =
p2 = p3
= u3 − u2 + p( v 3 − v 2 ) = h3 − h2
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Valores por kg de masa
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (V)
Análisis Termodinámico (II):
• Etapa de expansión (3-4)
[P.P.T.]
q=u+w
∫
4
3
du = −
sin área no hay posibilidad de intercambio térmico
q=0
∫
4
3
⇒ Δu = −Δw
dw ⇒ u 4 − u3 = −p 4 v 4 + p 3 v 3 ⇒ u 4 + p 4 v 4 = u3 + p 3 v 3
h3 = h 4
• Etapa de evaporación (4-1)
[P.P.T.]
q=
∫
1
4
du +
∫
1
4
dw =
∫
1
4
du +
∫
1
4
p dv =
p 4 = p1
= u1 − u 4 + p( v 1 − v 4 ) = h1 − h 4
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (VI)
Sistemas para refrigerar varios
espacios distintos a diferente
temperaturas:
Toda la superficie del condensador
disipa calor siempre
↑η cuando una sola cámara ON
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (VII)
Sistema
compuesto
Teoría p = cte
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (VIII)
7
Sistema en
cascada
7
3
6
8
2
8
4
6
5
5
1
Q Cond Baja = QEvap Alta
3
2
4
1
QCond Baja = QEvap Alta
mBaja ΔhCond Baja = m Alta ΔhEvap Alta
mBaja (h2 − h3 ) = m Alta (h5 − h8 )
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (IX)
Subenfriamiento: salida del condensador, asegura líquido en la Val. Exp.
Recalentamiento: salida del evaporador, asegura vapor en el Comp.
∆Tamaño del Cond
∆QCond
∆QCond
Recalentamiento
Subenfriamiento
∆QEvap
∆WComp
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por compresión (X)
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (I)
El ciclo necesita calor a  T (generador), para obtener efecto refrigerante
a ↓T (evaporador); como residuo se ha de extraer calor a media T
(absorbedor y condensador)
Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. Las
mezclas más utilizadas son: NH3-H2O y LiBr-H2O
• El NH3 es el refrigerante y el H2O el absorbente
• El H2O es el refrigerante, y el LiBr el absorbente (T>0ºC, entre 5 y 10ºC)
La tensión de vapor del refrigerante se ve alterada por la presencia del
absorbente (↓ al  la cantidad de absorbente)
Con la concentración de la mezcla, se controla la T de evaporación
Se deben emplear absorbentes con una tensión de vapor suficientemente
baja, y mantener la solución en una temperatura y concentración
necesaria, para que la tensión de vapor sea inferior a la del refrigerante
en el evaporador
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (II)
Una máquina de absorción de efecto simple (I)
Al generador se le
aporta la mezcla líquida
de refrig. y absorbente
El refrig (vapor) pasa al
condensador y se licua,
requiere ceder calor
(aire o agua)
Con calor se evapora
el refrig., el absorbente
retorna al absorbedor
El refrig. líquido, pasa a través
de una válvula de expansión
donde ↓p y ↓T
El refrig. líquido entra en el
evaporador, a baja presión se
evapora produciendo frío
El vapor de refrig. pasa al
absorbedor, donde se mezcla
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con el absorbente que retorna
del generador
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (III)
Una máquina de absorción de efecto simple (II)
En un intercambiador de calor se
precalienta la mezcla que va al
generador y se enfría el absorbente
que va al absorbedor
El paso de la mezcla desde el
absorbedor al generador
requiere ↑p, ⇒ una bomba,
(única parte móvil del sistema)
La reacción en el absorbedor es
exotérmica, y éste debe refrigerarse,
(conjuntamente con el
condensador), de no ser así ↑p,
dificultando la absorción
El vapor de refrig. pasa al absorbedor, donde se
mezcla con el abosorbente que retorna del generador
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (IV)
El calor que se debe eliminar (Qabs + Qcond) es grande, (Qgen + Qevap)
En máquinas de absorción: (Qabs + Qcond) ≅ 2,6 Potencia maquina
En máquinas de compresión: (Qcond) ≅ 1,25 Potencia maquina
Q eliminado en absorción ≅ 2 Q eliminado en compresión
Condensador
Generador
Las máquinas suelen tener dos partes:
• el generador y el condensador
• el evaporador y el absorbedor
Evaporador
Hay fabricantes que colocan toda la
máquina en una única carcasa
Absorbedor
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (V)
En el rendimiento del ciclo hay que considerar el aporte de calor en el
generador, la energía mecánica (bombas y ventiladores) se desprecia
COPCiclo Abs =
Tevaporador
Tcondensador − Tevaporador
=
Efecto Refrigerante
Entrada Calor
El COP típico de las máquinas comerciales de LiBr-H2O, es de 0,7
El rendimiento total es el de la producción del frío por el de la de calor
ηFrío Abs = ηabs ηcarnot =
Tevaporador
Tgenerador − Tcondensación
Tcondensador − Tevaporador
Tgenerador
con T en K
‫  װ‬al  T en el generador
‫ ↓װ‬al  T en el condensador/absorbedor
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VI)
Las máquinas son voluminosas y caras, especialmente cuando se
diseñan para funcionar con T bajas en el generador
Sólo son rentables cuando el calor muy barato, y las horas de
funcionamiento anual a plena carga son elevadas
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VII)
El diagrama que representa la mezcla de trabajo es el Dühring (P-T)
Se debe evitar la cristalización de la sal, que depende de la presión, y
es peligroso en el arranque de la máquina, cuando la T es baja
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VIII)
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Tª
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VIII)
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Tª
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VIII)
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Tª
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VIII)
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Tª
T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (VIII)
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (IX)
Otros ciclos de absorción (I)
Buscan aumentar la capacidad frigorífica, el rendimiento, o poder realizar
el suministro térmico a temperaturas reducidas
• Doble efecto
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
2.- Refrigeración por absorción (X)
Otros ciclos de absorción (II)
• Medio efecto con
dos escalones
• Efecto simple en
dos escalones
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
3.- La Bomba de Calor (I)
Máquina frigorífica que aprovecha el calor del condensador
Pueden ser reversibles: aprovechar calor o frío (calefacción en invierno
y refrigeración en verano, aptas para climatización)
Unidad interior
Unidad exterior
Invierno
Condensador
Evaporador
Verano
Evaporador
Condensador
Si se aprovecha simultáneamente el frío y el calor que hace la máquina,
aumenta considerablemente el rendimiento
Son máquinas frigoríficas que incorporan algún elemento nuevo
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
3.- La Bomba de Calor (II)
Para aprovechar en verano el frío del evaporador y en invierno el calor
del condensador se pueden pensar en varias situaciones:
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
3.- La Bomba de Calor (III)
a) B.C. de compresión mecánica
“Invierte el sentido del refrigerante por
las tuberías” con una válvula de 4 vías
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
3.- La Bomba de Calor (IV)
b) Bomba de Calor de absorción
Se aporta calor a alta T en el generador, y se obtiene una cantidad mayor, pero a
media T, tanto en el absorbedor y en el condensador.
Las máquinas de llama directa, en el funcionamiento en invierno pueden llegar a
alcanzar rendimientos del 150%, muy superior al de las calderas.
http://www.robur.it/home.jsp
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
3.- La Bomba de Calor (V)
El rendimiento de la B.C.
COPVERANO =
Q EVAPORADOR
WCOMPRESOR
COPINVIERNO =
Q CONDENSADOR
WCOMPRESOR
Los focos son los medios de
los que extrae o cede calor
Si se aprovechan a la
vez el QCON y el QEVAP
COP =
QCONDENSADOR + QEVAPORADOR
WCOMPRESOR
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T6.- CICLOS DE REFRIGERACION
4.- Otros ciclos de refrigeración
Existen otros ciclos y métodos que se pueden emplear para producir
refrigeración, entre los que se puede destacar:
• Ciclo de adsorción
• Ciclo de eyección
• Ciclo termoeléctrico
• Ciclo magnético
Escasa aplicación
Experimentación
No son competitivos
• Criogenia
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