Ciclos de refrigeración exposicion

SISTEMA DE REFRIGERACION

TERMODINAMICA INDUSTRIAL 1

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

I. OBJETIVOS

Describir y analizar un ciclo de refrigeración y su aplicación en la vida cotidiana

II. INTRODUCCIÓN

Es una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Un sistema de refrigeración se emplea para mantener cierta región del espacio a una temperatura menor que la de su entorno. Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores (o bombas de calor), y los ciclos en los cuales operan se denominan ciclos de refrigeración. El fluido de trabajo puede permanecer en una sola fase (refrigeración por gas) en el cual el refrigerante permanece todo el tiempo en la fase gaseosa. O puede aparecer en dos fases (refrigeración por compresión de vapor) empleado con más frecuencia donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, y se comprime en la fase de vapor. Otros ciclos refrigeración son la refrigeración en cascada, que emplea más de un ciclo de refrigeración; la refrigeración por absorción, en la cual el refrigerante se disuelve en un líquido antes de comprimirse; y la refrigeración termoeléctrica, que se produce mediante el paso de corriente eléctrica por dos materiales distintos. Es común asociar la refrigeración con la conservación de alimentos y acondicionamiento de aire en los edificios. No obstante, las técnicas de refrigeración se necesitan en muchas otras situaciones. Como son el empleo de combustibles líquidos para la propulsión de cohetes, el oxigeno líquido para la fabricación del acero, el nitrógeno líquido para transporte intercontinental son solo algunos ejemplos de los muchos que la refrigeración es esencial

III. CICLO DE CARNOT INVERTIDO

El ciclo de Carnot es un ciclo totalmente reversible que se comprende de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos. Que tienen la máxima eficiencia térmica para determinados límites de temperatura y sirve como un estándar contra el cual los ciclos de potencia reales se comparan. El ciclo Carnot ha demostrado ser una valiosa herramienta en el estudio de los ciclos de potencia de gas y vapor. Puesto que es un ciclo reversible. Los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de todas las interacciones térmicas y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj. El cual se llama un ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot recibe el nombre de refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot Considere un ciclo invertido de Carnot ejecutado dentro de la campana de saturación de un refrigerante como muestra la figura 1 el refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura TL en la cantidad de QL (proceso 1-2),se comprime isentrópicamente hasta el estado 3 (la temperatura aumenta hasta TB), rechaza calor isotermicamente en un sumidero de alta temperatura a TA en la cantidad de QA(proceso3-4) y se expande isentrópicamente hasta el estado 1 (la temperatura desciende hasta T)El refrigerante cambia de un estado de vapor saturado a un estado de líquido saturado en el condensador durante el proceso 3-4.



Fig. 1 Diagrama esquemático de un refrigerador de Carnot y diagrama T-s del ciclo de Carnot invertido Si observamos un motor de CARNOT invertido que opera como bomba de calor o refrigerador; la cantidad de calor QB se transfiere reversiblemente desde una fuente a la baja TB, hacia el motor térmico invertido. Este último opera a través de un ciclo durante el cual se suministra el trabajo neto W al motor y la cantidad de calor QA se transfiere en forma reversible a un sumidero a temperatura alta TA.

Aplicando la primera ley para un proceso cíclico cerrado, se tiene: AB QWQ

Según la segunda ley para un proceso totalmente reversible,

B

A

B

A

Q

Q

T

T

Los coeficientes de operación de los refrigeradores y de las bombas de calor de Carnot eran:

1

1.

B

AcarnotR

T

TCOP

A

BCarnotBC

T

TCOP

1

1.

Advierte que ambos COP aumentan conforme decrece la diferencia entre las dos temperaturas: a medida que TB aumenta o TA disminuye. El ciclo de Carnot es el ciclo de refrigeración más eficiente que opera entre dos niveles de temperatura específicos .Por tanto, es natural considerarlo primero como un ciclo ideal esperado



para loes refrigeradores y las bombas de calor .si fuera posible, sin duda sería tomado como el ciclo ideal. Pero el ciclo de Carnot es un modelo inadecuado para los ciclos de refrigeración. Los dos procesos isotérmicos de transferencia de calor no son difíciles de alcanzar en la práctica, porque al mantener una presión constante se fija de manera automática la temperatura de una mezcla bifásica en el valor de saturación. Por consiguiente, los procesos 1-2 y 3-4 pueden ser aproximados en los evaporadores y condensadores reales .Sin embargo, los procesos 2-3 y 4-1 no pueden aproximarse lo suficiente en la practica debido a que los procesos 2-3 incluyen la compresión de una mezcla liquido-vapor que requiere un compresor que manejara dos fases, y los procesos4-1implican la expansión de un refrigerador con alto contenido de humedad. En apariencia estos problemas se eliminan si se ejecuta el ciclo invertido de Carnot fuera de la región de saturación. Pero en este caso hay dificultades para mantener las condiciones isotérmicas durante los procesos de absorción y rechazo de calor. Por ello, se concluye que el ciclo invertido de Carnot no puede aproximarse en los dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración. A pesar de ello, el ciclo invertido de Carnot sirve como un estándar contra el cual se comparan los ciclos de refrigeración reales. El motor térmico de CARNOT invertido es útil como estándar de comparación ya que requiere del mínimo de trabajo para un efecto de refrigeración deseado entre dos cuerpos dados de temperatura fija.

IV. TIPOS DE CICLOS DE REFRIGERACION Existen ciclos y métodos que se pueden emplear para producir refrigeración, entre los que se puede destacar:

Ciclo de compresión Ciclo de adsorción Ciclo de eyección Ciclo termoeléctrico Ciclo magnético Criogénia

V. CICLOS DE REFRIGERACION POR COMPRESION

En la figura 2 se muestra el sistema de refrigeración por compresión mecánica del vapor y la representación termodinámica del ciclo en un diagrama TS. En este sistema existen sólo dos niveles de presión y consta de cuatro elementos fundamentales: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. El calor se cede o se absorbe a presión constante dentro de la curva de saturación, de manera que el fluido de trabajo realiza dos cambios de estado. El vapor en b se comprime de p1 a p2, alcanzándose el punto c (el compresor realiza un trabajo W). El vapor se condensa a presión constante en el condensador, cediendo un calor Q2. El líquido condensado en el proceso isobárico c-d, se expansiona por efecto Joule-Kelvin (J-K), sin trabajo externo alguno, de p2 a p1, y se alcanza el punto a, que es una mezcla de mucho líquido y poco vapor. En el proceso a-b, a presión y temperatura constantes, se produce la evaporación de todo el líquido, absorbiéndose un calor Q1.



Figura 2.- Ciclo de refrigeración por compresión y diagrama TS del mismo. El proceso de expansión por efecto J-K es irreversible i no se puede representar en el diagrama TS, pero el estado del punto final es conocido porque, en estas circunstancias, la entalpía del fluido después de la válvula (punto a) es la misma que tenía antes (punto d). Cuando se aplica la ecuación energética de un fluido en régimen estacionario al proceso de compresión adiabática, se demuestra que todo el trabajo realizado sobre el fluido (W < 0), en valor absoluto, es igual al incremento de la entalpía del fluido en dicho proceso. En valores por unidad de masa

(2) El efecto refrigerante es igual a la diferencia de entalpías de los puntos extremos del proceso de evaporación a presión constante (puntos a y b). Así:

(3)

Análogamente, el efecto calefactor vale:

(4)

Diagrama presión-entalpía (Mollier).

Este diagrama termodinámico resulta muy adecuado para el estudio del ciclo termodinámico de una maquina frigorífica. Se representa en la figura 3. Su principal ventaja es que las cantidades de



calor y de trabajo se miden por las distancias lineales según el eje de abscisas y que los procesos isobáricos se representan por líneas horizontales. El ciclo de refrigeración se realiza entre dos presiones bien diferenciadas. Los puntos principales del ciclo se localizan fácilmente en una u otra de las dos líneas de presión. Puesto que la entalpía es constante en el proceso de expansión J-K, la línea d-a se dibuja fácilmente y el punto a se localiza fácilmente a partir del punto d. En el ciclo mostrado en la figura, resulta evidente que las cantidades Q2, Q1 y W cumplen la condición de que Q2 sea la suma de Q1 y W (en valores absolutos).

Figura 3.- Ciclo de refrigeración en el diagrama presión-entalpía.

VI. PARTES DE UN REFRIGERADOR

1. GRUPO HERMETICO



• El grupo hermético de un frigorífico se compone de un motor eléctrico sin escobillas unido

con un compresor de pistón y válvulas de láminas. Generalmente tiene un único pistón. Ambos dos están en un recinto de chapa de hierro hermético que esta lleno parcialmente de aceite para garantizar el engrase. El grupo hermético se comunica con el exterior con tres tubos de cobre. Uno de ellos esta cegado y es el que se emplea para introducir el aceite y el gas en el momento del montaje o reparación. Por otro tubo, generalmente más fino y de hierro sale el gas comprimido a la parrilla condensadora. El tercer tubo es de cobre y más grueso y es el retorno del gas al compresor. El gas no entra directamente al compresor sino que entra al recinto cerrado y el compresor lo toma del interior de este recinto. De esa manera el volumen vacío que queda entre el motor y el recinto se emplea como cámara de almacenamiento de gas.

2. MOTOCOMPRESOR

El motocompresor consiste en una bomba de aspiración accionada por un motor eléctrico. Se encarga de aspirar el gas del evaporado y de comprimirlo. MOTOR: El motor esta controlado por un termostato y una o dos lamparas de luz. El motor es una especia de balón metálico hermético

3. COMPRESOR

• El compresor es el encargado de hacer recircular el refrigerante por el sistema y crear una diferencia de presion entre el evaporador y el condensador. el gas es expulsado al condensador con mucha presion.

• Compresor tiene como medio litro de aceite en su interior

• El compresor tiene una culata normalmente fijada mediante cuatro tornillos. Debajo de esa culata están las válvulas. Observar que hay una pieza intermedia



entre esa culata y el bloque del pistón. Hay además dos juntas para asegurar la estanqueidad.

• Un compresor en buen estado es capaz de comprimir gases hasta unas 30 atmósferas de

presión. El volumen de gas no es muy alto pero a cambio la presión que consigue es bastante más alta que incluso la de los compresores comerciales. Su funcionamiento es muy similar a los compresores para coche, suelen cascar a los 3 minutos de uso si se les hace trabajar a más de 3 atmósferas y hacen un ruido infernal. Los compresores de frigorífico están pensados para trabajar años, en silencio y con pocas vibraciones.

4. CONDENSADOR

• En el condensador, el refrigerante cede calor y se enfría. Se produce un cambio de

estado: condensación. • Cambio de gas a líquido.

El condensador consiste en un tubo doblado en forma de serpentín. Realiza el intercambio de calor del refrigerante con el ambiente. Produce el cambio de estado del refrigerante. La espira caliente: Es una prolongación del condensador que en ocasiones se hace pasar alrededor de las puertas del frigorífico como si se tratase de un marco interior. Por tanto es normal que al abrir el frigorífico y apoyarse en el marco se note algo de calor. Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. FILTROS

• El filtro su funcion principal es el de limpiar el refrigerante de particulas extrañas y el agua.

• La utilización de este filtro le permitirá beber agua pura desde el dispensador de su frigorífico, bien como agua liquida o en forma de hielo.

• Algunas marcas : Siemens, General Electric, Balay, Electrolux, Brita, Samsung, Bosch AEG, Hotprint, Daewoo, Whirlpool, Fagor, Ariston, Aqua Pure, Liebherr, Amana y Maytag.

TUBO CAPILAR

• Son tubos de cobre de diametro interior entre 0.6 y 1 mm. De longitud, perfectamente determinada, para crear una perdida de carga( es decir, una perdida de la presion del fluido que entra en el evaporador)

• Por lo tanto el tubo capilar es un tubo muy fino que produce en

el extremo de salida una expansión y cambio de estado del refrigerante.

• El tubo capilar solo sirve para crear la diferencia de presiones entre la tuberia delgada (condensador) y la tuberia gruesa (evaporador)

• EL capilar es otro mecanismo que se utiliza para la expansion en los Sistemas de refrigeracion. La diferencia es que la valvula de expansion regula el sobrecalentamineto y en el capilar no. El capilar se usa en equipos pequeños donde la carga de refrigerante es pequeño.

• El tubo capilar no regula la capacidad de refrigerante que inyecta al evaporador, durante las paradas deja pasar refrigerante, por lo que las presiones intentas igualarse, y el



compresor necesita bajo par de arranque. Como han dicho las instalaciones que lo utilizan, llevan poco refrigerante, por lo que no llevan deposito de líquido. La mayoria de frigorificos domesticos llevan este tubo desde el condensador hasta el evaporador. Evaporedor de tuberia mas gruesa que le condensador. Hay que calcular su longitud y diametro.

EVAPORADOR

• El evaporador consiste en una placa o serpentín en donde se produce el cambio de estado del refrigerante: evaporación.

• comprende una envoltura metálica sobre la que se enrolla y fija mediante cinta adhesiva un serpentín tubular continuo, conectado al compresor del flúido frigorífico, siendo adecuada dicha envoltura para su incorporación en una capa de material aislante a fin de formar la cámara de un congelador, cuyo evaporador se caracteriza porque la citada envoltura metálica está constituida por una lámina metálica cortada y plegada de modo que se obtenga un cuerpo paralelepipédico abierto con una porción superior sustancialmente de tal configuración y una porción inferior dotada de un borde vertical biselado para crear un asiento de sección sensiblemente triangular en cuyo, interior se aloja el referido compresor

• el evaporador es la parte fria de la refrigeradora, ya que el capilar esta suministrando un

flujo de gas licuado y este evaporador tiene un diametro de tubo superior y una presion muy inferior a la suminstrada por el condensador, se produce el milagro el gas se evapora y es arrastrado lentamente por el circuito del evaporador hasta el mismo moto

VII. Funcionamiento de un sistema de refrigeración



Los sistemas de refrigeración tienen una amplio campo en cuanto a aplicaciones, se utiliza en diversas industrias tanto en motores como en la preservación de alimentos y la congelación industrial (conservas, verduras, platos de cocinados, etc.) Un refrigerador es una máquina térmica que con ayuda de energía externa "transporta" el calor de un punto a otro. Básicamente el funcionamiento de un refrigerador consiste en que una sustancia absorba calor del foco frío y lo libere en el foco caliente, para ello se suministra energía. El dispositivo consta básicamente de un circuito cerrado por el que circula un gas (que puede licuarse) y una bomba que comprime y transporta el gas.

Sabemos que el ciclo de refrigeración está integrado por componentes, accesorios y controles. Esto es una forma de diferenciar solo para una mejor comprensión de su operación. Lo importante, es que el sistema de refrigeración pueda funcionar eficientemente, con el menor costo de operación y con la seguridad de que el compresor no va a sufrir daños.

También se sabe que los componentes del sistema son aquellos, indispensables, para que el sistema de refrigeración funcione, tales son: El evaporador, el condensador, el compresor, y el regulador de flujo que bien puede ser un tubo capilar o una válvula de expansión; con estos cuatro componentes integrados por la tubería, y con refrigerante, el sistema funciona y enfría. Un ejemplo típico es el refrigerador doméstico simple que no tiene más allá de su compresor hermético, un evaporador estático de placa doblada, el condensador estático atrás del refrigerador y el tubo capilar; lo único que lleva sujeto a desgaste y movimiento, es el compresor, y un termostato que lo acciona y que está fuera del sistema de refrigeración.

Los accesorios como su nombre lo indica, son dispositivos secundarios que servirán para proteger, controlar, supervisar, o mejorar algo en el sistema y se utilizarán sólo aquellos que sean necesarios. Cabe recordar que el sistema más eficiente será el que tenga menor cantidad de accesorios, conexiones y longitud de tubería, además de que estas sean de diámetro adecuadas.

Tomando como referencia la figura del ciclo de refrigeración, se observan los accesorios más conocidos, de los cuales no necesariamente debe llevarlos todos sino que llevará los que se requieran únicamente. La razón de mostrarlos todos, es para identificar su localización en el sistema.

Un ciclo simple frigorífico comprende cuatro procesos fundamentales:



1. La regulación

2. La evaporación

3. La compresión

4. La condensación

1. La regulación

El ciclo de regulación ocurre entre el condensador y el evaporador, en efecto, el refrigerante líquido entra en el condensador a alta presión y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a través del regulador.

La presión del líquido se reduce a la presión de evaporación cuando el líquido cruza el regulador, entonces la temperatura de saturación del refrigerante entra en el evaporador y será en este lugar donde se enfría.

Una parte del líquido se evapora cuando cruza el regulador con el objetivo de bajar la temperatura del refrigerante a la temperatura de evaporación.

2. La evaporación

En el evaporador, el líquido se vaporiza a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Todo el refrigerante se vaporizada completamente en el evaporador, y se recalienta al final del evaporador.



Aunque la temperatura del vapor aumenta un poco al final del evaporador debido al sobrecalentamiento, la presión se mantiene constante.

Aunque el vapor absorbe el calor del aire alrededor de la línea de aspiración, aumentando su temperatura y disminuyendo ligeramente su presión debido a las pérdidas de cargas a consecuencia de la fricción en la línea de aspiración, estos detalles no se tiene en cuenta cuando uno explica el funcionamiento de un ciclo de refrigeración normal. 3. La compresión

Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación es aspirado por el evaporador por la línea de aspiración hasta la entrada del compresor. En el compresor, la presión y la temperatura del vapor aumenta considerablemente gracias a la compresión, entonces al vapor a alta temperatura y a alta presión es devuelto por la línea de expulsión.

4. La condensación

El vapor atraviesa la línea de expulsión hacia el condensador donde libera el calor hacia el aire exterior. Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturación que corresponde a su nueva presión. En la liberación de su calor, el vapor se condensa completamente y entonces es enfriado. El líquido enfriado llega al regulador y está listo para un nuevo ciclo.

¿Cómo funcionan las refrigeradoras domesticas?

• El funcionamiento se da a base de un sistema o circuito cerrado de procesos, que opera gracias a un gas refrigerante.

• Este circuito, a grandes rasgos, consta de dos procesos, uno de compresión y otro de descompresión del gas refrigerante, que lo hacen pasar de estado gaseoso a líquido y viceversa.

• Por medio de estos dos procesos, es capaz de generar frío para su interior y liberar el calor a través de la rejilla con que cuenta en la parte posterior, que también se denomina condensador.

• Para poder controlar estos procesos, los sistemas de refrigeración cuentan con un sistema de termostato para regular el frío de su interior, que controla el proceso de compresión del gas refrigerante.

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VIII. TIPOS DE REFRIGERANTES

IX. APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL

Una de las características que distinguen a la refrigeración Industrial es la magnitud de las temperaturas operacionales. Así, temperaturas de hasta 15°C (60°F) definen el límite superior, mientras temperaturas de -60 a -70°C (-76 a -94°F) define el límite inferior. Si la refrigeración industrial se definiera como la tecnología utilizada en la industria de los alimentos, químicos y de proceso, esta definición incluiría aproximadamente las dos terceras partes de las instalaciones. Otras de las aplicaciones importantes de la refrigeración ocurren en fábricas o laboratorios con condiciones especiales, principalmente a bajas temperaturas. La conservación de alimentos es mas prolongada cuanto mas baja es la temperatura de almacenamiento. La conservación de todas las carnes, de los productos vitícolas, de las frutas y de los vegetales se extienden por medio de bajas temperaturas. Muchos alimentos se almacenan sin congelar y muy raramente se les congela, algunos son bananos, manzanas, tomates, lechugas, repollos, papas, las cebollas, etc. Luego de la cosecha, las frutas y vegetales se encuentran atemperatura ambiente, y para



enfriarlos seria necesario colocarlos en una cámara refrigerada. Para algunos productos este tipo de enfriamiento resulta muy lento. Se emplea en esos casos un proceso de “Pre- enfriamiento”. La industria de alimentos congelados tiene sus origines en desde 1912 cuando se observo que la calidad del pescado congelado a muy bajas temperaturas se conserva por largo tiempo. La era moderna se inauguró con el descubrimiento del congelamiento rápido, es decir en horas en vez de días, lo cual atenuó o elimino la formación de microscópicos cristales de hielo en el interior de los productos. Hoy en día la refrigeración industrial tiene un volumen anual de ventas de 8 mil millones de Dólares, con más de 1500 productos diferentes. Métodos corrientes de congelación incluye túneles de congelación, en los que una corriente de aire circulando a alta velocidad congela las cajas de alimentos, congelación por aplicación directa del hielo (alimentos a veces en cajas, se congelan entre placas refrigeradas), congelación por inmersión (el producto es sumergido en soluciones a bajas temperaturas) y congelación criogénica en las que el dióxido de carbono o nitrógeno liquido se rocía directamente sobre los productos en la cámara frigorífica. Otro objetivo de la refrigeración es producir un cambio en las características en la estructura química de los alimentos, tal como en la elaboración del queso, las bebidas como cerveza, vino y jugos cítricos. El acondicionamiento de aire industrial es otra aplicación de la refrigeración que a diferencia al acondicionamiento de aire en edificios de oficinas o residenciales, se efectúa para lograr condiciones adecuadas para procesos de manufactura o salas de proceso. El aire acondicionado industrial difiere principalmente en el estado del aire suministrado, definido por el nivel de temperatura, humedad precisamente controlada, filtrado más estricto y remoción previa de contaminantes..

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En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitación donde se sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeración.

En un sistema doméstico de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado térmicamente. A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara continuamente produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor está controlado por un termostato o regulador.

Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor y motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 °C con refrigerante-12 se necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador.

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