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1

Tema 1:Fundamentos de la producción de frío

por compresión

Juan Francisco Coronel Torohttp://jfc.us.es

Grupo de TermotecniaDpto. Ingeniería Energética

Universidad de Sevilla

Master en Ingeniería Industrial2º cuatrimestre

Instalaciones y máquinas hidráulicas

y Térmicas

Producción de fríoGrupo 1

Eficiencia Energética en la Edificación

Tema 1: Fundamentos de la producción de frío por compresión IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 2

ÍNDICE

1. Introducción2. Bases termodinámicas3. Ciclo de compresión mecánica4. Ejemplos

Fundamentos de la producción de frío por compresión



ÍNDICE





q ¿Qué es la Producción Frigorífica?Tecnologías que persiguen colocar a un medio por debajo de la temperatura ambiente, mediante la extracción de calor (producción de frío).

q Producción térmicaØ Producción de calor� Generación térmicaØ Producción de frío � Tecnología Frigorífica

q Sectores y usos finales:

Introducción

Introducción



Introducción

Aplicaciones



Ejemplo: Instalación de climatización

Introducción



Generador de frío: Enfriadora condensada por aire

Introducción

12ºC

Evaporador

7ºC

35ºC

40ºC

45ºC

4ºC

Condensador

Agua

Aire

QC

QF

WC

Baja T y p

Alta T y p

T↑ p↑

Alta T y p



ÍNDICE





q Presión manométrica y absoluta

Bases termodinámicas

Unidades de presión

pabs = pman + patm




Unidades de energía y potencia

1 kcal = 4.19 kJ1 kcal = 1 fg

1 kW = 860 kcal/h1 kW = 860 fg/h



q Propiedades termodinámicas- Temperatura, T [K] - Volumen específico, v [m³/kg] ! = 1/v [kg/m³] - Presión, p [kPa] - Entalpía, h [kJ/kg] - Entropía, s [kJ/kgK]

q Sustancias purasØ Monofase� Prop = f(x,y) = f (T, p) Ø Equilibrio bifásico� p = p (T) y Prop = f (T, X)

q MezclasØ Aire húmedo: Aire seco + vapor de agua � Prop = f (x, y, z)

q Diagramas termodinámicosØ Diagrama P-T: Curva de saturaciónØ Diagrama T-S: Ciclos termodinámicosØ Diagrama h-S: Producción de potenciaØ Diagrama p-h: Producción de fríoØ Diagrama psicrométrico: Tratamiento de aire y climatización

Propiedades de una sustancia pura




q Diagrama P-T del agua pura

q Curvas de saturación: equilibrio líquido-vapor

Diagramas p-T




q Diagrama T-s del amoniaco (R-717)

Diagramas T-s




q Diagrama p-h del amoniaco (R-717)

Diagramas p-h




q Balance de masa:

Ø Flujo másico:

q Balance de energía:

q Energía en tránsito:Ø Flujos de energía a través de una superficie (fenómeno superficial)

Ø Tipos de flujos:

§ Calor (Q): Flujo de energía debido a ∆T entre el sistema y el contorno

§ Trabajo (W): Intercambio de trabajo en la frontera del sistema

§ Energía asociada a la masa:

Balances de masa y energía en rég. permanente

!me = !ms kg/s⎡⎣ ⎤⎦

Ee = Es J⎡⎣ ⎤⎦!Ee = !Es W⎡⎣ ⎤⎦

!m = ρ !V = ρu A kg/s⎡⎣ ⎤⎦

!Em = !me = !m[h+ u2

2+ gz] W⎡⎣ ⎤⎦




q Balance de masa (kg/s)

q Balance de energía (W)

q EjemplosØ Bomba

Ø Turbina

Ø Compresor

Ø Intercambiador

Ø Válvula

!me = !ms

!me[he +

ue2

2+ gze] +We +Qe = !ms[hs +

us2

2+ gzs] +Ws +Qs


Sistemas abiertos en régimen permanente



ÍNDICE





q Máquina frigorífica de Carnot

Ciclo de compresión mecánica

Ciclo de Carnot: Componentes




Eficiencia del ciclo

Eficiencia Energética = Energía útil

Energía consumida

COPMF =

Qf

Wc

(EER)

COPBC =

Qc

Wc

(COP)

COPBC ,C =

Tc

Tc −Tf

= 11−Tf / Tc

COPMF ,C =

Tf

Tc −Tf

= 1Tc / Tf −1

Efecto útil: Frío producido en el evaporador

Efecto útil: Calor transferido en el condensador




Ciclo estándar de refrigeración

p

h

1

23

4

19 bar

6 bar5°C

50°C

70°C

3

Compresor

4 1

2

Condensador

Evaporador

Válvula de expansión

Vapor5ºC, 6 bar

Fluido enfriado

Fluido calentado

1

2

3

Vapor70ºC, 19 bar

Líquido50ºC, 19 bar

4

Líquido5ºC, 6 bar

s

T

3

41

2

p

h

1

23

4

19 bar

6 bar5°C

50°C

70°C

3

Compresor

4 1

2

Condensador

Evaporador

Válvula de expansión

Vapor5ºC, 6 bar

Fluido enfriado

Fluido calentado

1

2

3

Vapor70ºC, 19 bar

Líquido50ºC, 19 bar

4

Líquido5ºC, 6 bar

s

T

3

41

2




Eficiencia del ciclo estándarq Efecto de la temperatura de evaporación (TC = cte = 35ºC)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

CO

P

TE (°C)

R-134a

R-22

Tc = 35 °C

R-717Carnot

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-25 -20 -15 -10 -5 0 5COP/COP Carnot

TE (°C)

R-717 R-22

R-134a




q Efecto de la temperatura de condensación (TE = cte = - 5ºC)

Eficiencia del ciclo estándar

2

3

4

5

6

7

8

9

10

30 35 40 45 50 55 60

CO

P

TC (°C)

R-134a

R-22

TE= -5 °C

R-717

Carnot

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

30 35 40 45 50 55 60

COP/COP Carnot

TC (°C)

R-717

R-22

R-134a




Ciclo real de refrigeración



ÍNDICE





Ejemplos

Problema de ciclo estándar

Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de refrigeración utilizando como refrigerante R-22, si su temperatura de condensación es 40°C y la de evaporación -10°C, calcular:

A. Caudal de refrigeranteB. Potencia de compresiónC. Coeficiente de eficiencia energéticaD. Relación de compresiónE. Caudal volumétrico de refrigerante manejado por el compresorF. Temperatura de descarga del compresorG. Coeficiente de eficiencia energética del ciclo inverso de Carnot con las

mismas temperaturas de evaporación y condensación

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