Máquinas frigoríficas y bombas de calor Se puede considerar una máquina frigorífica como una máquina térmica inversa al motor. La máquina produce una potencia refrigeradora enfriando el foco frío y cediendo el calor al entorno (foco caliente), para lo cual necesita de trabajo. El coeficiente de eficiencia de la máquina vendrá dado por el cociente entre la energía en forma de calor que se obtiene del foco frío entre el trabajo invertido. Q F W Es la relación entre la potencia refrigerada y la potencia empleada 1 Máquinas frigoríficas y bombas de calor El coeficiente de eficiencia de una máquina frigorífica será máximo cuando todos los procesos son reversibles (internos y externos). Es decir, un ciclo de carnot de refrigeración: Q T rev e F Wrev TC TF En este caso, la generación neta de entropía es cero, de modo que se puede establecer una relación entre las energías intercambiadas S 0 SMT SC SF 0 QC TC Q F TF T QC F QF TC TC Wrev 1 QC TF 2 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Los sistemas de refrigeración reales se alejan considerablemente del modelo ideal, las tres diferencias principales son: ‐ La transferencia de calor no se produce a la misma temperatura (no es reversible). Producir una transferencia de calor suficiente para mantener el foco frio a TF , requiere que el refrigerante tenga una temperatura varios grados menor. La misma situación se da en el foco caliente, donde el refrigerante tiene que estar unos grados por encima de la temperatura del foco caliente. Esto reduce la eficiencia. ‐ En el ciclo de Carnot se produce una compresión húmeda, se está comprimiendo una mezcla bifásica líquido‐vapor. En sistemas reales sólo se procesa vapor (compresión seca). ‐ El proceso de expansión de 3’ a 4’, apenas produce trabajo comparado con el trabajo necesario en la compresión. En la realidad la turbina se substituye por una válvula de estrangulación. Esto da lugar al ciclo de refrigeración por compresión de vapor 3 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Refrigeración por compresión de vapor 1‐>2 Compresión adiabática del vapor saturado (de p0 a p) 2‐>3 Enfriamiento y condensación a presión constante en el condensador (p=cte) 3‐>4 Expansión irreversible en la válvula del líquido saturado hasta la presión inicial (p0) 4‐>1 Vaporización del vapor húmedo en el evaporador absorbiendo energía en forma de calor Qe 4 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Vapor a p0 Líquido a p Análisis del ciclo Evaporador 0 m h1 h4 m h0 '' h ' Q 0 mq Compresor m m m h2 h1 W mw h h 2' 1 h2' h0 '' sc Condensador Q m q m h2 h3 m h2 h ' Válvula Ciclo sc h3 h4 W Q Q 0 Coef. eficiencia Q 0 h '' h ' sc 0 W h2 ' h0 '' Como refrigerantes se buscan aquellos que tengan una entalpía de vaporización grande, porque si h’’‐h’ es grande, también lo será h0’’‐h’ 5 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Refrigeración por compresión de vapor Qe h1 h4 m Qe Capacidad de refrigeración Wc h2 h1 m Qs h3 h2 m h4 h3 h1 h4 Qe m Wc m h2 h1 En la figura inferior podemos ver varias características de un ciclo real de compresión de vapor. La transferencia de calor entre el refrigerante y las regiones caliente y fría no se produce de manera reversible (T menor que TF y mayor que TC en cada caso). También vemos el incremento de entropía específica durante la compresión. Rendimiento isoentrópico compresor c W m h2s h1 Wc m h2 h1 c s 6 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Esta máquina frigorífica se puede mejorar realizando modificaciones en el ciclo termodinámico: Subenfriamiento del refrigerante Disminución de la presión del condensador Enfriamiento regenerativo Máquina frigorífica de compresión en varias etapas (especialmente utilizada cuando la diferencia de temperatura entre los focos es muy elevada) Los refrigerantes habituales son derivados halogenados de hidrocarburos. Las temperaturas de los focos frío y caliente determina las temperaturas en el evaporador y el condensador del refrigerante, lo cual determinará las presiones en los mismos. No se deben tener presiones muy altas en el condensador ni muy bajas en el evaporador. Y por supuesto, la entalpía del vaporización en el evaporador debe ser lo más elevada posible. R134 = C2H2F4 R12 = CF2Cl2 El cloro y la capa de ozono En máquinas de absorción se emplea NH3 7 Máquinas frigoríficas y bombas de calor 8 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Máquina de absorción Comprimir un líquido requiere menos trabajo que comprimir un vapor. En el ciclo de absorción el refrigerante que sale del evaporador se disuelve en un líquido que es comprimido hasta la presión del condensador, donde el refrigerante es separado del líquido para entrar en el condensador. Producción de frío a baja temperatura – licuefacción de gases Es muy costoso porque el coeficiente de eficiencia es muy pequeño. Incluso con una máquina multietapa sólo se emplean hasta ‐100ºC. Para la licuefacción de gases se emplean máquinas frigoríficas de gas. Se basan en el efecto Joule‐Thomson en la válvula de estrangulamiento. Cuando no sea reversible, se define el rendimiento energético como el coeficiente entre el rendimiento real y el reversible: MF rev Q0 T MF rev c MF W Th Tc 9 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Máquina de absorción 10 Máquinas frigoríficas y bombas de calor máquinas frigoríficas de gas 11 Máquinas frigoríficas y bombas de calor Ciclo de Carnot de bomba de calor (máximo teórico) Q s TC rev Wneto rev TC TF Qs Qe Wneto rev Bomba de calor por compresión de vapor h h Qs m 2 3 h2 h1 Wc m 12 Máquinas frigoríficas y bombas de calor En calefacción, tanto la calefacción eléctrica como de combustión, … son tipos de calefacción irreversible. El método de calefacción reversible es la bomba de calor Para el caso de una bomba de calor reversible Q C Q F Wrev T Q F F Q C TC TC Wrev 1 TF QC Desde el punto de vista termodinámico, la bomba de calor reversible es el ciclo más favorable (da el mayor rendimiento). Se extrae energía del ambiente en forma de calor con el mínimo trabajo. En la práctica, como los proceso no serán reversibles, se precisará más potencia Para el caso de calefacción eléctrica, en el caso ideal toda la energía en forma de trabajo eléctrico se transformará en energía en forma de calor. Pero en la realidad el rendimiento no será 1, sino algo inferior. 13