fundamentos - universidad nacional de...

Alexánder Gómez

Termodinámica TécnicaFundamentos

Bogotá, D.C., 2011

Capítulo 8.: Ciclos de refrigeración y bomba de calor

8.0 Introducción8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor (CV)8.2 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CV8.3 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CV8.4 Ciclos de refrigeración por compresión de gas (CG)8.5 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CG8.6 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CG8.7 Ciclos de refrigeración por absorción8.8 Ciclos de bomba de calor8.9 Ciclos duales de enfriamiento y bomba de calor8.10 Sustancias refrigerantes8.11 Resumen

Contenido

8.0 Introducción

Calentamiento y enfriamiento

Calentamiento Refrigeración

Tradicional (egía. primaria)

Sistemas por compresión

Sistemas por absorción

Licuefacción de gases

Sistemas de bombas de calor

Sistemas de potencia - calor

Operación con gas Operación con vapor

Joule-Braytoninvertido

Clausius-Rankineinvertido

8.0 Introducción

Enfriamiento

Aire acondicionado

8.0 Introducción

Licuefacción de gases

8.0 Introducción

8.0 Introducción

P

T 0

P

V

T

1

2

q 1-2 =q ent

34

q =0q = 0

q 3-4 =q sal

a b cd

qent=T (s2-s1)

qsal=T0 (s2-s1)

Ciclo de Carnot de potencia para gases (giro derecho)

8.0 Introducción

TTT

TT

ssTssT

qq 00

12

120

ent

salCth, 1

)()(11 −

=−=−−

−=−=η

ent

sal

ent

salent

entth 1

qq

qqq

qw

−=−

==η

8.0 Introducción

qsal=T (s1-s2)

qent=T0 (s2-s1)

Ciclo de Carnot para refrigeración y bombas de calor

wq

wq salent

ntosrequerimieutilidad

⇒⇒=β

Coeficiente de operación para refrigeradores:

8.0 Introducción

0

0

entsal

ententR ntosrequerimie

utilidadTT

Tqq

qw

q−

=−

===β

Coeficiente de operación para bombas de calor:

1ntosrequerimie

utilidadR

0entsal

salsalB +=

−=

−=== ββ

TTT

qqq

wq

8.0 Introducción

Ciclo inverso de Carnot para sustancias con cambio de fase

Compresor

Condensador

Turbina

Evaporador (‘Cuarto frío’)

Compresor

Turbina

Condensador

Evaporador (‘Cuarto frío’)

Problema: compresión húmedaProblema: baja potencia, alto costo

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

Ciclo de refrigeración con turbina para la expansión

4 1

23

Foco frío

Foco caliente

Ciclo de refrigeración con válvula de expansión

Turbina

Válvula de expansión

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

salQ

entQ

mayorT

menorT

entW

Sistema

salQ

entQ

mayorT

menorT

compW

4 1

23

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

salQ

entQ

mayorT

menorT

compW

4 1

23

salQ

entQ

mayorT

menorT

compW

4 1

23Objetivo

Refrigerador

Bomba de calor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

4 1

23

Foco frío

Foco caliente

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

4 1

23

Foco frío

Foco caliente

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

1

2s

went

Compresor

Presión del condensador

qsal

3Condensador

4

Válvula deexpansión

Presión del evaporador

qent

Evaporador

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

1

2s

went

Compresor

Presión del condensador

qsal

3Condensador

4

Válvula deexpansión

Presión del evaporador

qent

Evaporador

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

Ciclos ideal y real

8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor

Ciclos ideal y real

8.2 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CV

El análisis se realiza considerando los equipos que componen el ciclo, considerando condiciones de flujo estacionario para:

• Compresor

• Condensador (intercambiador de calor)

• Válvula de expansión (isoentálpica; irreversible)

• Evaporador (intercambiador de calor)

El desempeño del ciclo se evalúa a través del coeficiente de operación, que se estableceme mediante el cociente entre el calor que ingresa al sistema (quecorresponde al calor retirado a las sustancias que se están refrigerando) y la potencia empleada en el ciclo, normalmente la potencia del compresor.

En literatura especializada se pueden encontrar análisis termodinámicos y descripciones tecnológicas detallados de los sistemas de refrigeración [1, 2].

8.3 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CV

8.3 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CV

8.4 Ciclos de refrigeración por compresión de gas (CG)

Los ciclos de potencia se pueden usar como ciclos de refrigeración invirtiendo su dirección de operación.

De estos, el ciclo inverso de Brayton o de refrigeración con gas, es usado para acondicionar el ambiente interior en aeronaves y para

obtener temperaturas criogénicas mediante regeneración.

El coeficiente de desempeño de un ciclo de refrigeración con gas es:

st,entc,

L

entneto,

LR ww

qw

q−

==β

8.4 Ciclos de refrigeración por compresión de gas

Ciclo inverso Brayton-Joule para refrigeración por compresión de gas

8.5 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CG

El análisis se realiza considerando los equipos que componen el ciclo, considerando condiciones de flujo estacionario para:

• Compresor

• Condensador (intercambiador de calor)

• Turbina

• Evaporador (intercambiador de calor)

El desempeño del ciclo se evalúa a través del coeficiente de operación, que se establece mediante el cociente entre el calor que ingresa al sistema (que corresponde al calor retirado a las sustancias que se están refrigerando) y la potencia empleada en el ciclo, normalmente la potencia del compresor. Esta potencia es suministrada por la propia turbina del sistema. Este tipo de sistemas es normal, por ejemplo, para el enfriamiento de cabinas de aeronaves.

8.6 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CG

8.7 Ciclos de refrigeración por absorción

8.8 Ciclos de bomba de calor

Aire exterior

Aire interior

12

3 4

8.8 Ciclos de bomba de calor

Coeficientes de operación para refrigeradores y bombas de calor:

0

0

entsal

ententR ntosrequerimie

utilidadTT

Tqq

qw

q−

=−

===β

1ntosrequerimie

utilidadR

0entsal

salsalB +=

−=

−=== ββ

TTT

qqq

wq

8.9 Ciclos duales de enfriamiento y bomba de calor

8.10 Sustancias refrigerantesLas sustancias refrigerantes son fluidos que sirven como transportadores de energía en los equipos de refrigeración y bombas de calor.Las propiedades termodinámicas de las sustancias refrigerantes influyen en la construcción, función y consumo de energía de los refrigeradores y bombas de calor.La presión de evaporación debe ser suficientemente alta y superior a la presión atmosférica del aire para evitar su ingreso en el circuito del ciclo.La temperatura crítica de la sustancia refrigerante debe ser suficientemente superior a la temperatura ambiental, de tal manera que la presión de condensación no sea muy elevada (límite superior: 2 Mpa.)La sustancia refrigerante debe permitir obtener un coeficiente de desempeño alto, es decir, una eficiencia energética alta.Además: no deben ser tóxicos; ni combustibles; deben ser estables térmica y químicamente; ser aceptables ambientalmente y competitivos económicamente.

En desuso 1996 Permanente

Cronograma internacional para descontinuar el uso: Europa descontinúo uso de HCFC en 2001 y los saca de uso completo en el 2015

EUA descontinúo el uso de HCFC-22 en el 2010

8.10 Sustancias refrigerantes

En transición

Clorofluorocarbonos Hidroclorofluorocarbonos Hidrofluorocarbonos

8.10 Sustancias refrigerantes

Otros refrigerantes

8.10 Sustancias refrigerantes

Valores críticos para algunas sustancias:

Sustancia R tk Tk pk vk

/kJ/kgK / ºC / K / MPa /dm3/kgAmoniaco, NH3 0,4882 132,35 405,50 11,361 4,444R134a, CF3CH2F 0,0815 101,03 374,18 4,0563 1,969Dióxido carbono, CO2 0,1889 30,98 304,13 7,3773 2,139Propano, C3H8 0,1885 30,98 370 4,26 2,139Agua, H2O 0,4615 373,95 647,10 22,064 3,106R-12, CCl2F2 0,0688 132,35 405,50 11,361 4,444Aire 0,2870 373,95 647,10 22,064 3,106

8.10 Sustancias refrigerantes¿Por qué utilizar amoniaco como sustancia refrigerante?

El amoniaco es el refrigerante preferido a nivel industrial por:• Bajo costo unitario.• Emisiones de bajo impacto ambiental.• Por sus características físico – químicas, una fuga es fácilmente detectable.• Mejores propiedades térmicas en sistemas de refrigeración que otros refrigerantes.• Mejor eficiencia termodinámica que los demás refrigerantes. • Mejores coeficientes de transferencia de calor que otros refrigerantes. NH3: de

1,000.0W(m2*K) a 6,000.0W(m2*K), R22: de 450.0W(m2*K) a 1,800.0W(m2*K)• No es soluble con el aceite.• Para un carga térmica igual, se requiere menor cantidad de refrigerante en el

sistema.• Menor potencia de bombeo en sistemas recirculados. Viscosidad de NH3 =

0.20cP, Viscosidad de NH3 = 0.25cP.• Fácil expansibilidad de los sistemas.• No es tan sensible a la humedad como otros refrigerantes.

8.10 Sustancias refrigerantesDesventajas del uso del amoniaco como sustancia refrigerante:

• Altos costos de instalación.

• Requiere personal especializado para la operación de los sistemas.

• No es apropiado para sistemas pequeños.

• Requiere sistemas de contingencia contra emergencias.

• Es preferible que la sala de máquinas esté en un edificio apartado del área de proceso.

• Requiere sistemas de control, monitoreo y alarmas sofisticados.

8.11 Resumen

• Los sistemas de técnicos de refrigeración y bomba de calor permiten transportar calor desde recipientes de menor temperatura a otros de mayor temperatura.

• El desempeño termodinámico de estos ciclos se determina por medio de los coeficientes de operación, que establecen la relación entre el calor transferido y la potencia empleada en el sistema. El calor transferido desde el recipiente a menor temperatura es el objetivo de los sistemas de refrigeración. Las bombas de calor tienen como objetivo el calor que se transfiere al recipiente de mayor temperatura.

• Los ciclos de refrigeración operan de manera inversa a los ciclos correspondientes de generación de potencia. Se tienen ciclos inversos Clausius-Rankine en los sistemas de refrigeración por compresión de vapor y ciclos inversos Joule-Brayton en los sistemas de refrigeración por compresión de gases.

8.11 Resumen

• Algunas modificaciones técnicas como la inclusión de procesos de absorción de las sustancias refrigerantes en medios líquidos pueden permitir el mejoramiento del desempeño termodinámico de los sistemas de refrigeración.

• La optimización del desempeño de estos ciclos puede lograrse también a través de sistemas que operan en cascada, para permitir la operación con intervalos de presión y temperatura ajustados a cada sustancia refrigerante. El uso de sistemas con interenfriamiento y regeneración son medidas adicionales que pueden contribuir al incremento del desempeño termodinámico de estos ciclos.

• Las propiedades termodinámicas de las sustancias refrigerantes son determinantes para obtener mejores niveles de desempeño termodinámico en este tipo de sistemas.

Bibliografía

[1] Haselden, G.G. (Ed.): Cryogenics fundamentals. London, New York: Academic Press, 1971.

[2] Dossat, R.J.: Principles of refrigeration. 3ra. Edición; EnglewoodCliffs: Prentice Hall, 1991.

Resumen general

Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la masa y la energía Criterio cuantitativo

Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la transformación de la masa y la energía Criterio cualitativo

Propiedades termodinámicas de la materia

Maquinaria y equipos de transformación

Tecnología

EconomíaEcología

Energía primaria

Procesos de transformación

Energía final

Energía útil

Usos no energéticos y disipación

Disipación

¡Gracias por su atención!

Alexánder Gómez

agomezm@unal.edu.co

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