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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA
NÚCLEO CARABOBO- SEDE NAGUANAGUA
INGENIERÍA PETROQUÍMICA
CICLO DE REFRIGERACIÓN
POR
COMPRENSIÓN DE VAPOR
Tutor: Autores:
Prof. Elba Rondón Creslyn Mirena CI: 24.574.414
Edgar Abad CI: 24.104.282
V Semestre D02
Naguanagua, Mayo 2016
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INTRODUCCION
La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en
el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua;
los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío
mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como
Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco)
etc, hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834,
Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y
en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la
primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una
máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde
y Windhausen la de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, etc.
Un capítulo aparte merece Carré, propulsor de la máquina frigorífica de
absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de eyección. Desde el punto de vista de
sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la
evolución industrial a que obliga el continuo alza de la vida. La refrigeración
tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos
(Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de
carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria
(Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos
congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc), en sistemas de
acondicionamiento de aire y calefacción, etc. Esto da una idea del grandísimo
interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista
económico, humano y social.
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. Los ciclos en lo que operan se
denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, donde el
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refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse
en la fase de vapor. Otros ciclos de refrigeración conocidos son los ciclos de
refrigeración de gas en la que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase
gaseosa y el de absorción de amoniaco donde existe mezcla de amoniaco y
agua en algunos procesos en el ciclo.
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DESARROLLO
I. Ciclo de refrigeración por compresión del vapor
El trabajo mecánico para el ciclo de compresión del vapor acciona un
compresor, que mantiene baja presión en un evaporador y una presión más
alta en un condensador.
La temperatura a la cual se evapora un líquido (o se condensa un vapor)
depende de la presión; así pues, si se hace trabajar la máquina con un fluido
adecuado, éste se evaporará a una baja temperatura en el evaporador de baja
presión (tomando calor de su entorno) y se condensará a una temperatura más
alta en el condensador de alta presión (desprendiendo calor a su entorno).
El líquido de alta presión formado en el condensador precisa devolverse
al evaporador con un gasto controlado.
El ciclo simple de refrigeración por compresión del vapor tiene por tanto
cuatro componentes:
Un evaporador donde se absorbe el calor a una baja temperatura al
evaporarse (hervir) un líquido a baja presión.
Un compresor que utiliza una energía mecánica para aumentar la
presión del vapor.
Un condensador donde se condensa el vapor de alta presión,
desprendiendo calor a sus proximidades.
Un dispositivo reductor de presión del líquido de retorno al evaporador,
y que además controla el caudal.
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El ciclo de refrigeración es muy interesante desde el punto de vista
termodinámico. Es una de las pocas plantas prácticas cuyo funcionamiento se
basa en un verdadero ciclo termodinámico e incluye lo siguiente:
Ebullición nucleada y condensación pelicular.
Procesos de flujo estacionario (estrangulación, compresión e
intercambio de calor)
Control de caudal
Las propiedades termodinámicas (presión, volumen específico,
temperatura, entalpía específica, y entropía específica) de una
sustancia pura, así como todas las condiciones entre vapor
sobrecalentado y líquido subenfriado.
Los sistemas de refrigeración, son propiedades termodinámicas de la
materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos o más
focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir
la temperatura del producto almacenado en cámaras de refrigeración las
cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos,
conforme especificaciones. Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí
conforme su método de inyección de refrigerante y configuración constructiva,
ambos condicionados por sus parámetros de diseño. De esta manera, y
haciendo un adecuado balance de masas y energías, es posible encontrar la
solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica.
II. Descripción de la máquina de refrigeración por compresión de
vapor
Los sistemas de aire acondicionado, como las máquinas térmicas, son
dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo en el ciclo de
refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con
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mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que
incluye cuatro componentes principales: Un compresor, un condensador, una
válvula de expansión y un evaporador.
El refrigerante entra al compresor como un vapor y se comprime a la
presión del condensador. Sale del compresor a una temperatura relativamente
alta y se enfría y condensa conforme fluye por el serpentín del condensador
liberando calor hacia el medio circundante. Luego entra a un tubo capilar
donde su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido al efecto
de estrangulación. El refrigerante de baja temperatura entra luego al
evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El
ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar
al compresor.
Figura 1.1 Máquina de refrigeración por compresión de vapor.
III. Funcionamiento de los dispositivos del sistema de
refrigeración
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El evaporador, es un cilindro vertical de vidrio con placas extremas
metálicas, un serpentín helicoidal de tubo de cobre conduce el agua a través
del refrigerante contenido en el cilindro.
El compresor, mantiene una baja presión en el evaporador y esto causa
la ebullición del refrigerante a baja temperatura, extrayendo el calor del agua
y reduciendo su temperatura. El vapor de baja presión formado en el
compresor se introduce en el compresor, donde aumenta su presión y pasa al
condensador. El compresor es de tipo diafragma y está directamente acoplado
a un motor eléctrico.
El condensador, es también un cilindro vertical de vidrio a través del cual
circula el agua de refrigeración por un serpentín de tubo metálico. El vapor de
alta presión procedente del compresor se condensa al transferir su calor
latente al agua de enfriamiento, la cual se calienta. El líquido saturado de alta
presión se recoge en el fondo del condensador, y su nivel controla una válvula
de expansión actuada por flotador.
Válvula de expansión, esta válvula llega a su posición de equilibrio y
descarga el líquido refrigerante de vuelta al evaporador a la misma tasa con
que se forma. Al pasar el líquido refrigerante caliente de alta presión por el
asiento de la válvula, se reduce su presión hasta la presión que existe en el
evaporador, descendiendo su temperatura hasta la temperatura de saturación
a la presión del evaporador. La reducción de temperatura va acompañada de
la formación de vapor húmedo, que se puede ver a través de la mirilla de vidrio.
Al entrar en el evaporador, el vapor y el líquido se separan, pasando el líquido
al "tanque" para volver a evaporarse, mientras que el vapor se mezcla con el
otro vapor que aspira el compresor.
La instrumentación correspondiente nos permite medir: la temperatura y
presión del refrigerante en el condensador y evaporador, la temperatura del
agua a la entrada y salida de los serpentines en el evaporador y en el
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condensador, y los caudales de agua en los dos serpentines. A la salida del
condensador se ha instalado una válvula de corte que puede cerrarse para
demostrar el "bombeo" al condensador. En la base del evaporador está situada
la válvula de carga y descarga de refrigerante. En la placa superior del
condensador está instalada una válvula de seguridad para evitar
sobrepresiones en su interior y para evacuar el aire que pudiera contener el
sistema.
Esto se logra al operar una máquina frigorífica con un ciclo de compresión
de vapor. En la Figura 1 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto
con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal.
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Figura 1.2 Esquema de la maquinaria y los diagramas Ts y Ph de un ciclo de
refrigeración por compresión de vapor.
IV. Condiciones Termodinámicas de la sustancia de trabajo del
ciclo de refrigeración por compresión
4-1 (Evaporador): Se absorbe calor desde una región fría TL, de forma
isotérmica (T4 =T1), para que la transferencia de calor sea altamente efectiva
es necesario que la Temperatura de saturación del Refrigerante sea menor
que la temperatura de la región fría, es decir T1 S4, al igual que la entalpía
(h1> h4), mientras que las presiones permanecen constantes proceso
isobárico (P1 = P4).
1-2 (Compresor): Se comprime vapor saturado del refrigerante,
disminuye el volumen y aumenta su presión (P2 > P1) y por ende su
temperatura (T2 > T1), obteniendo finalmente vapor sobrecalentado, en un
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proceso isoentrópico (S1 = S2), mientras que la entalpía de salida es mayor
que la entalpía de entrada al mismo (h2 > h1).
2-3 (Condensador): Se transfiere calor reversible a la región caliente
TH, a través de un proceso isobárico (P2 = P3), donde el refrigerante
experimenta cambios de fase (vapor sobrecalentado a líquido saturado), se
puede observar que la T2 > T3 y que la entropía S2 > S3 al igual que la entalpía
h2 > h3.
3-4 (Válvula de estrangulamiento o de expansión): Se expande el
refrigerante isoentálpicamente (h3 = h4) hasta alcanzar bajas temperaturas
(T4 < T3) al disminuir la presión (P4 < P3), mientras que la entropía aumenta
(S4 < S3). Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen
estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía
cinética y potencial está dada por:
q + w = h salida – h entrada.
La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el
evaporador planteada así:
Ộevap= m (h1 - h4)
En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere
calor, mientras que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El
coeficiente de operación del ciclo está dado por:
COP Ref = Ộevap = h1 - h4
WComp h2 - h1
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V. Aplicaciones del ciclo de refrigeración por compresión de
vapor en la industria
La Climatización, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado
para la habitabilidad de un edificio.
La Conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se
degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve,
la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de
alimentos perecederos.
Los Procesos industriales que requieren reducir la temperatura de
maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos
son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía
nuclear.
La Criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para
licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.
Motores de combustión interna: El líquido refrigerante que se utiliza es
agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto
de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se
producen temperaturas bajo cero.
Máquinas-herramientas: las máquinas herramientas también llevan
incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el
líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte
sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo
que la pudiese deteriorar rápidamente.
Máquinas que aplican la refrigeración por compresión:
Equipos de refrigeración
Aire acondicionado o acondicionador de aire
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Refrigerador, nevera o frigorífico
Enfriador de agua
Tanque de leche
Cámara de refrigeración
Fábrica de hielo
Aire acondicionado automotor
No importa si se trata de un sistema de refrigeración comercial, industrial o
doméstico, si se quiere sacar el mejor provecho de él, el aire debe circular
libremente alrededor de su contenido. Una de las cosas que siempre hay que
tener clara es que una distribución desordenada de productos no le da al
contenido la temperatura uniforme que éste requiere y hace que el sistema
tenga que forzarse de más. Por esta razón se debe dejar espacio entre el
contenido de un sistema de conservación en frío y las paredes, techos y pisos
de éste.
La mayoría de estos equipos de refrigeración son usados para el
almacenamiento de alimentos perecibles y por ello es vital que siempre estén
funcionando, ya que una interrupción del fluido de energía haría que el
contenido sea víctima de las bacterias de la descomposición, las cuales
pueden reactivarse con una leve alza en la temperatura. Por esta razón
siempre se debe contar con sistemas de generación de energía de respaldo.
Los sistemas de refrigeración son aparatos muy resistentes en realidad. De
hecho, algunos de ellos han sido diseñados para ser transportados o para ser
localizados en exteriores. No obstante, si se quiere que dichos sistemas y su
contenido siempre estén bien hay que tener ciertos cuidados. De esta manera,
se podrá contar con mercancías de altísima calidad y con aparatos que
durarán por muchos años y sin falla alguna.
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Ejercicios resueltos
1. En un ciclo de refrigeración por compresión de un vapor que opera con
tetrafluoroetano (refrigerante R–134a) se sabe que este último entra en
el compresor a –20 [°C], 2.3 [bar] y h = 321 [kJ/kg], sale a 14 [bar] y h =
372 [kJ/kg]. Sabiendo que entra a la válvula de expansión con una
entalpia específica de 120 [kJ/kg], determine: a) Los calores referidos a
la unidad de masa en el evaporador y en el condensador-enfriador. b)
La potencia del compresor si el gasto másico fue 15 [kg/s]. c) El
coeficiente de operación del ciclo.
a) Sistema: refrigerante R–134a.
qevap = h1 – h4 = (321 – 120) [kJ/kg]
qevap = 201 [kJ/kg]
qcond = h3 – h2 = (120 – 372) [kJ/kg]
qcond = – 252 [kJ/kg]
b) W = W.t w =𝑊
𝑚 W = w.m
Wcomp = wcomp.m por otra parte: qciclo + wciclo = 0
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qevap + qcond + wcomp = 0 wcomp= - qevap - qcond
wcomp= – (201 [kJ/kg] ) – ( – 252 [kJ/kg] ) = 51 [kJ/kg]
Wcomp= (51 000 [J/kg]) (30 [kg/s])
Wcomp= 153 000 [W]
c) = 𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎
𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 ℎ𝑎𝑦 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑟 =
𝑞 𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑤 𝑐𝑜𝑚𝑝 =
201𝐾𝐽/𝐾𝑔
51 𝐾𝐽/𝐾𝑔
= 3.941
2. Un refrigerador funciona con 18 moles de un gas ideal monoatómico,
realizando ciclos de 2 s. Las temperaturas de los focos son 450 K y 150
K y consume una potencia de 60 kW. a) Calcula el calor intercambiado
en cada etapa y la relación entre los volúmenes en la compresión
isoterma. b) Calcula la variación de entropía del gas en cada
transformación y en el ciclo. Calcula la variación de entropía del
Universo. c) Sabiendo que después de la expansión isoterma el
volumen del gas es V3 = 0.5 m3, calcula la presión y el volumen
después de la compresión adiabática.
P= 60kW t=2s n=18
P= 𝑊
𝑡 W = Pt =-120*103 J trabajo consumido
Ɛ𝑐= 𝑄2
𝑊 = 0.5 Q2= calor absorbido en 2-3
Q2= 6 ∗ 104J
W = Q1 + Q2 Q1= calor cedido en 4-1
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Q1= -120*103 - 6 ∗ 104J= -18∗ 104J
Q1= nRT1Ln 𝑉1
𝑉4
𝑉1
𝑉4= 0.07
S12= S14 = 0 adiabáticas reversibles
S23= 𝑄2
𝑡2 = =
6∗104
150 = 400 J/K
S41= 𝑄1
𝑡1 = =
−18 ∗104
450 = - 400 J/K
S focofrio = −𝑄2
𝑡2 = - 400 J/K
S fococaliente = 𝑄1
𝑡1 = 400 J/K
S universo = Sciclo + S fococaliente + S focofrio = 0 2º principio ciclo reversible
V3 = 0.5 𝑚3 T3=T2 = 150K ϒ= 1.67 (monoatómico)
Compresion adiabática (3-4) T4=T1= 450K
𝑇3𝑉3𝑌−1 = 𝑇1𝑉4
𝑌−1 𝑉4 = (𝑇3𝑉3
𝑌−1
𝑇1 )
1
𝑌−1 = 0.097 𝑚3
Gas ideal pV= nRT
𝑃4 = 𝑛𝑅𝑇1
𝑉4 = 6.9 ∗ 105 Pa
S ciclo = 0 Función de estado
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CONCLUSIONES
El ciclo estudiado es muy usado en cuartos frigoríficos, puesto que es
un método relativamente simple. Se tiene un refrigerante al que se le somete
una alta presión y se le envía a un tanque receptor, por medio de una red de
tubos, atravesando un filtro que elimina la humedad. La refrigeración por
compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través
de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor,
denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente
de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a
vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe
energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio
gaseoso o líquido.
La refrigeración mecánica se usa para remover calor de un medio más
frío y expulsarlo a un medio más cálido usando las propiedades de calor latente
del refrigerante. El sistema de refrigeración debe proporcionar una
temperatura de refrigerante inferior a la temperatura del medio que se va a
enfriar y elevar la temperatura del refrigerante a un nivel superior a la
temperatura del medio que se utiliza para la expulsión. Los elementos básicos
que se requieren para la refrigeración mecánica son: el compresor, el
evaporador, el condensador, y la válvula de expansión termostática.
Este ciclo termodinámico difiere de uno ideal debido a situaciones
irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes son:
La fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.
El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales
incrementan la entropía y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o
disminuir la entropía dependiendo de la reacción.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Edwuard G. Pita (1991). Principios y sistemas de refrigeración. Editorial
Limusa S.A.
Dossat, Roy J. (2001). Principios de Refrigeración. Editorial CECSA.
Yunus A. Cengel & Michael A. Boles Termodinámica: Tomo I, 2da Edición.
Electrónicas:
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Extraído de:
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-i-ciclos-de-
refrigeracic3b3n-por-compresic3b3n-de-vapor
Esquema termodinámicos del ciclo refrigeración. Extraído de:
http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm
Wikipedia la enciclopedia libre. Refrigeración por comprensión. Extraído
de:https://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3
