UNNE-FI 1

MMááquinas de quinas de RefrigeraciRefrigeracióónn

ContenidosContenidos

Clase 1• Introducción• Ciclo con 2 fuentes• Ciclo reversible• Ciclo inverso de Carnot• Irreversibilidades

externas• Compresión en

régimen seco• Irreversibilidades

internas

Clase 2• Refrigerantes• Ciclos en cascada• Compresión multi-

etapa• Absorción• Sistemas con gas

UNNE-FI 2

IntroducciIntroduccióónn

Aplicaciones:Aire acondicionadoConservación de alimentosLicuefacción de gasesProducción de hielo

Objetivo: Transferir calor desde una temperatura baja hacia otra más elevada, por ejemplo para mantener una región del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente.

Ciclo con dos fuentesCiclo con dos fuentes

ec TT >

Qe

QC

WC

TC

TE

Cec WQQ +=

ec

e

C

emf QQ

QWQCOP

−==

MF

1=− mfbc COPCOP

ec

c

C

cbc QQ

QWQCOP

−==

UNNE-FI 3

Ciclo reversible con dos fuentesCiclo reversible con dos fuentes

0=∆+∆+∆=∆ mffffcu SSSS

ec

e

ec

emf TT

TQQ

QCOP−

=−

=

ec

c

ec

cbc TT

TQQ

QCOP−

=−

=

SSS fffc ∆=∆−=∆0=∆ mfS

c

cfc T

QS =∆e

eff T

QS −=∆

cc TSQ ⋅∆= ee TSQ ⋅∆=

Qe

QC

WC

TC

Te

MF

Ciclo inverso de CarnotCiclo inverso de Carnot

STQ ee ∆⋅=

Qe

Qc

WC

Tc

Te

STQ cc ∆⋅=

ec

e

ec

emf TT

TQQ

QCOP−

=−

=

MF

s

T∆S

ec

c

ec

cbc TT

TQQ

QCOP−

=−

=

UNNE-FI 4

Ciclo de Carnot con vaporCiclo de Carnot con vapor

S

Turbina

Evaporador

Compresor

Condensador

Fuente caliente a Tc

Fuente fría a Te

WcWt

Qc

Qe

1

23

4

Te

Tc

Irreversibilidades en flujos de QIrreversibilidades en flujos de Q

• Diferencia finita de temperaturas

T`e

T`c

Turbina

Evaporador

Compresor

Condensador

Fuente caliente a Tc

Fuente fría a Te

WcWt

Qc

Qe

1

23

4

T`e

T`c

UNNE-FI 5

CompresiCompresióón en rn en réégimen secogimen seco

Válvula deexpansión

Evaporador

Compresor

Condensador

Fuente caliente a Tc

Fuente fría a Te

Wc

Qc

Qe

1

23

4

Vaporsaturado 1

23

4

• Se desprecian la variación de energía cinética y potencial

• Balances de energía en los componentes

CompresiCompresióón en rn en réégimen secogimen seco

Wc

1

23

4

cwhq +∆=

• Se desprecian la variación de energía cinética y potencial

• Balances de energía en los componentes

41 hhqe −=

23 hhqc −=

12 hhwc −=

34 hh =

12

41hhhh

WQCOP

c

emf −

−==

41 hhQm e−

=&

&

( ) mhhWc && ⋅−= 12

UNNE-FI 6

AnimaciAnimacióón de la instalacin de la instalacióónn

Irreversibilidad en el compresorIrreversibilidad en el compresor

• Fig. 10.4

12

12

hhhh s

is −−=η

real

idealis h

h∆∆

=η

UNNE-FI 7

Proceso de expansiProceso de expansióónn

• Estrangulamiento adiabático: isoentálpico

P1,T1 (fijas)P2,T2 (var.)

P

T

2

22

2

h=cte

1

T de inversión

hj P

T⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=µ

Coeficiente de Joule Thomson

Diagrama pDiagrama p--hh• Frecuentemente utilizado en

refrigeración

UNNE-FI 8

Bombas de calor por compresiBombas de calor por compresióónn• Objetivo: Calefacción• Componentes similares a refrigeración• Eficiencia superior a la unidad

Bombas de calor invertibleBombas de calor invertible

UNNE-FI 9

RefrigerantesRefrigerantesCaracterísticas:• Pe>1Bar Pc<20Bar• Entalpía de vaporización alta• No toxico• Estable químicamente• No corrosivo• Bajo Coste• No inflamable Fluidos:

• Amoniaco, NH3• Agua• Clorofluorocarbonados (CFC)• R-11, R-12, R-22• Hidrofluorocarbonados (HFC)• R-134a, R-410a

Ciclos en cascadaCiclos en cascada• Diferentes refrigerantes en

cada ciclo• Relaciones presión –

temperatura de los refrigerante adecuadas.

• Temperaturas de -25 a -75ºC

cBcA

ef WW

QE+

=

UNNE-FI 10

CompresiCompresióón n multietapamultietapa

• Menor consumo de energía en el compresor.

• Refrigeración intermedia mediante un intercambiador de mezcla.

• Reducción de irreversibilidad externa en el condensador

CompresiCompresióón n multietapamultietapa

• 5 y 7 líquido saturado• 1 y 9 vapor saturado• h5=h6 y h7=h8

• Trabajo mínimo =>Pi=(Pc.Pe)0,5

• Título de 6:x.(h9-h7)=h6-h7

• Bal. Energía CMx.h9+(1-x).h2=h3

x kg

(1-x) kg

1kg

UNNE-FI 11

Doble evaporador y doble compresorDoble evaporador y doble compresor

• -

Wc1

Wc2

Q1b

Q1a

Q2

1

5

43

29

8

7 6

10

11

4

3

2

1

9

7

8

6

5

1011

mb

ma

ma+mb

Doble evaporador y doble compresorDoble evaporador y doble compresor

• -Wc1

Wc2

Q1b

Q1a

Q2

1

5

43

29

8

7 6

10

11

mb

ma

ma+mb

( )( )

( ) ( )( ) 423

45

12

938

110

21

11

hmbmahmbhmahhmbmaWc

hhmbWchmbhmahmbmaaQ

hmbhmbbQ

⋅+=⋅+⋅−⋅+=

−⋅=⋅+⋅=⋅++

⋅=⋅+

UNNE-FI 12

Ciclo con tres fuentesCiclo con tres fuentes

0

2

QQE f =

0

11 ```Q

QQEc+= T1

Q``1

MF

Q2

WC

T2

Q’1

Q0WC

T0

MT

Ciclo reversible con tres fuentesCiclo reversible con tres fuentes

0

10

21

2

TTT

TTTE f

−⋅−

=

T1

T2

110221 )()(|| STTSTTWC ∆⋅−=∆⋅−=

10

22

0

2

.

.STST

QQE f ∆

∆==MF

Q2

Q``1

WC

s

T∆S1

Q`1

Q0

WCT0

∆S2

)()(

21

10

1

2

TTTT

SS

−−

=∆∆

UNNE-FI 13

RefrigeraciRefrigeracióón por absorcin por absorcióónn

• Menor consumo de trabajo en la bomba.

• Permiten utilizar energías alternativas o calor residual.

• Refrigeración NH3/H2O • Aire acondicionado

H2O/BrLi

AbsorciAbsorcióón: NHn: NH33/H/H22OO

• Intercambiador de calor para precalentar la solución.

• Rectificador: evita la formación de hielo en valvula y evaporador.

• Tg=100ºC• Tc=45ºC• Te=-8ºC

UNNE-FI 14

Sistemas con gas: Sistemas con gas: CycloCyclo BraytonBrayton• No existe cambio

de fase.• Aplicaciones:

bajas temperaturas

• (-150ºC) y aviación.

CycloCyclo BraytonBrayton• Intercambiador de calor regenerativo.• Se obtienen temperaturas menores.

UNNE-FI 15

CycloCyclo BraytonBrayton para aviacipara aviacióónn• Tamaño y peso reducido.• Se necesitan menos

intercambiadores de calor.

Problema 4Problema 4

UNNE-FI 16

Problema 4Problema 4--bb

BibliografBibliografííaa

• Termodinámica Tecnica, C. A. Garcia, 1987, Ed. Alsina.

• Fundamentos de Termodinámica Técnica, M.J. Moran y H.N. Shapiro,1996, Ed. Reverté

• Termodinámica, K. Wark, D.E.Richards,2001, Ed. McGraw - HILL

UNNE-FI 17

Ciclos de motores a gasCiclos de motores a gas

• Ciclos: Regenerativos, Otto, Diesel y Brayton.

• Teoría: Termodinámica Técnica de GarciaC. pag 101 a 103 y pag. 265 a 282.

• Problemas: Problemas de Termodinámica Técnica de Garcia C. pag. 301 a 308.