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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 11. REFRIGERACIÓN

TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 11. RefrigeraciTema 11. Refrigeracióónn

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

TEMA 11: REFRIGERACIÓN

OBJETIVOS1. Comprender la importancia y las aplicaciones de la refrigeración en la industria2. Entender el funcionamiento de los ciclos básicos de producción de frío: ciclos

de compresión de vapor (ciclo de Carnot invertido), los ciclos de refrigeración de gas(ciclo de Brayton invertido), los ciclos de absorción y los sistemas de refrigeración

3. Representar los ciclos descritos por el refrigerante en los diagramas termodinámicos T-S y P-H y calcular propiedades de los mismos con esta herramienta

4. Calcular los coeficientes de operación y la capacidad de refrigeración5. Conocer los refrigerantes más empleados, los criterios de selección de los mismos

y sus propiedades más importantes

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

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• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA

• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR

• Ideales

• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento

• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• Propiedades

• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

• Cascadas

• Regeneración (economizadores)

• Licuefacción de gases

• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS

• CICLOS DE ABSORCIÓN



• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: REFRIGERACIN: REFRIGERACIÓÓN EN LA INDUSTRIAN EN LA INDUSTRIA


• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• Propiedades


• Cascadas






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Introducción: Refrigeración en la industria

• Operación destinada a mantener la T de un sistema más baja que Tambiente

• <<Refrigeración a baja T>> , para distinguir de agua de refrigeración

• APLICACIONES:

• Op. Separación:

• rectificación a baja T, vacío …

• Cristalización (concent. de zumos, recic. neumáticos) y fusión selectiva

• Liofilización

• Licuación de gases (aire, gas natural, etileno) para transporte o producción

• Conservación de perecederos

• Acondicionamiento de aire

• PRODUCCIÓN DE FRÍO:

• Compresión→enfriamiento→expansión: ciclos de compresión

• Absorción en un líquido→compresión→desorción: ciclos de absorción

• Alto coste debido a la utilización de trabajo/electricidad como energía primaria


Introducción

• REFRIGERADORES/BOMBAS DE CALOR

Dispositivos cíclicos que transfieren el calor de una región de baja temperatura a unade alta temperatura empleando como fluido de trabajo un refrigerante

El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una T bajay extraer el calor de él

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a T alta

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• CICLOS DE COMPRESICICLOS DE COMPRESIÓÓN DE VAPORN DE VAPOR

•• IdealesIdeales

•• PrPráácticoscticos. . CCáálculolculo. . CoeficientesCoeficientes de de aprovechamientoaprovechamiento

•• RealesReales

• REFRIGERANTES

• Selección

• Propiedades


• Cascadas







Ciclos de compresión de vapor: ideales

CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)

• Método predominante

• Principio: máquina de Carnot invertida

Cq&

Fq&

w&

T ↑

T ↓

Cq&

Fq&

w&

T ↑

T ↓

T

S

Cq&

Fq&

1

43

2

P

H

Cq&

Fq&

1

43

2

Cq&

Fq&

1

43

2

Turbina Compresor

Evaporador

Condensador

• Compresión y expansión isoentrópicas

• Condensación y evaporación isotérmicas

• Compresión y expansión en dos fases

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Ciclos de compresión de vapor: ideales

FC

C

CFeneto

CCarnotBC TT

T

TTw

qCOP−

=−

==1

1

,,

FC

F

FCeneto

FCarnotREF TT

TTTw

qCOP−

=−

==1/

1

,,

CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)

BOMBA DE CALOR REFRIGERADOR


Ciclos de compresión de vapor: prácticos

CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)

ASPECTOS IMPRÁCTICOS ASOCIADOS AL CICLO DE CARNOT INVERTIDO

• Ciclo invertido de Carnot no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración

• Los procesos de TQ a T = cte no son díficiles de alcanzar en la práctica

• Compresión → mejor en una sola fase (admisión: vapor saturado)

• Expansión: puede hacerse en dos fases a través de una válvula (...) , pero ...

• No se recupera el trabajo (expansión isoentálpica, o de Joule-Thomson)

• El fluido se enfría menos para la misma ΔP

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CICLO IDEAL DE COMPRESIÓN DE VAPOR

• La turbina se sutituye por un dispositivo de estrangulamiento (válvula, tubo capilar) EXPANSIÓN ISOENTÁLPICA (irreversible)

• Evaporar el refrigerante por completo antes de quese comprima (1 fase)

• El enfriamiento-condensación es isobárico, no isotérmico. Evaporación a T y P ctes

P

H

1

43

2

,P T ↑

,P T ↓

1-2: Rechazo de calor a P = cte en el condensador hasta líquido saturado(T2>Tamb)

2-3: Expansión isoentálpica hasta obtener una mezcla L+V baja calidad a la Pevap (la T3 < Tespacio refrigerado)

3-4: Absorción a P = cte en un evaporador hasta obtener vapor saturado4-1: Compresión isoentrópica hasta vapor sobrecalentado a la Pcond = P1

T

S

1

2

3 4




7




• Equipo sencillo, barato y duradero

• Cálculos y propiedades: diagrama P-H →

wcomp=h1-h4 ; qc=h1-h2 ; qF=h4-h3 (/kg o molg)

• Eficacias → Coeficientes de aprovechamiento: alejamiento del ciclo ideal

( )

( )

4 3

1 4

1 2. .

1 4

. . . ,

. . . , 1

F F FREF

C F C F

C C CB C

C F C F

h hq q TC O P Carnotw q q h h T Tq q Th hC O P Carnotw q q h h T T

−= = = =

− − −

−= = = = >

− − −

& &

& & &

& &

& & &

P

H

1

43

2

qc: Área bajo la curva proceso 1-2

qF: Area bajo la curva en el proceso 3-4

Wneto: Área encerrada por el ciclo

Wneto ↓ (COP ↑) cuando Tevap ↑ o Tcond ↓

T

S

1

2

3 4


Ciclos de compresión de vapor: reales

CICLOS REALES DE COMPRESIÓN

FUENTES DE IRREVERSIBILIDADES

• Caídas de presión (fricción del fluido)

• TQ desde o hacia los alrededores

1- Vapor entra al compresor ligeramentesobrecalentado

2- Proceso de compresión: los efectosfriccionantes aumentan la entropía (proceso 1-2) y la transferencia de calor puede aumentar o disminuir la entropía (1-2’): deseable proceso1-2’ menor requerimiento de trabajo

3- El refrigerante se subenfría ligeramente antes de entrar al evaporador

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• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTESREFRIGERANTES

•• SelecciSeleccióónn

•• PropiedadesPropiedades


• Cascadas







Refrigerantes

• REFRIGERANTE: “El cuerpo que se emplea para absorber calor y retirarlo del sistema, ya sea en forma de calor latente (habitual) o calor sensible”

• REFRIGERANTES MÁS COMUNES (con TSAT a 1 atm):

• NH3 (-33ºC)

• Freones (CFC): R12 (CCl2F2,-29), R22 (CHClF2 ,-41), R114 (C2Cl2F4,+4), R134a (CF3CH2F,-30)

Los freones completamente halogenados destruyen la capa del ozono(efecto invernadero, calentamiento global); los no halogenadoscompletamente, menor capacidad de destrucción (R-134a, libre de cloro)

• Hidrocarburos: propano (-42ºC), etano, etileno

• CO2 (Tsub= -78ºC)

• Aire

• H2O (hielo, hielo con salmueras)

• Salmueras (problemas de corrosión sustituidos por anticongelantes: etilen-propilen-glicol, metanol, glicerina

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Selección de refrigerantes

• SEGURIDAD:

• Inertes, no explosivos, no tóxicos (NH3 prohibido en núcleos poblados)

• No contaminantes: CFC → Capa de ozono. → nuevos refrigerantes no (Cl y F)

• CRITERIOS TÉCNICOS:

• Entalpía de vaporización elevada

• Densidad del vapor reducida

• Capacidades caloríficas de líquido y vapor altas

• Relación de compresión favorable

• SELECCIÓN DE REFRIGERANTES:

• TEVAP (mínima) → PSAT (mínima) > 1 atm para evitar infiltraciones de aire

• Transferencia de calor razonable evaporador → ΔT mínima = 10ºC

• TCOND =TAMBIENTE+ΔTCOND ; debe ser << que T crítica


Propiedades de refrigerantes

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Propiedades de refrigerantes

APLICACIONES





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• Propiedades

• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIPROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN

•• CascadasCascadas

•• RegeneraciRegeneracióónn ((economizadoreseconomizadores))

•• LicuefacciLicuefaccióónn de gasesde gases




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• Aplicaciones industriales que requieren T moderadamente bajas (gran nivel de presión en el ciclo) ciclo en una etapa no práctico

• Dos o más ciclos de refrigeración queoperan en serie

• Dos etapas: intercambiador de calorconecta los dos ciclos: evaporador del ciclosuperior y condensador del ciclo inferior

• Mejoran el rendimiento (pero masinmovilizado): wcompresor disminuye y la capacidad de refrigeración aumenta

• Un solo refrigerante o distintos

• Permiten grandes variaciones de T (con distintos refrigerantes)

1. Procedimientos en sistemas de refrigeración: cascadas

CASCADAS


PROBLEMA: cascadas

CASCADA: 2 ETAPAS

0.1 MPa

1.6 MPa

La presión intermedia (presión del cambiador de calor) viene dado por la siguiente expresión:

5.0)·( bajaaltai PPP =

5.0)·( bajaaltai PPP =

En el problema que nos ocupa se sabe que la presión de alta (condensador) es 1.6 MPa y la presión de baja (evaporador) es 100 kPa. El flujo másico de Freón 12 que sale del evaporador es 0.6 kg/s. En estas condiciones se pide:

a) Representar gráficamente en un diagrama P-H el doble ciclo descrito por el refrigerante R-12

b) Determinar el estado en el que se encuentra el refrigerante en cada una de las etapas del ciclo especificando el valor de su de presión, temperatura, entalpía, entropía y título

c) Calcular la capacidad de refrigeración (kW)d) Determinar el coeficiente de operacióne) Calcular el flujo másico de vapor de agua

utilizado para enfriar el Freón 12 en el condensador si se sabe que ΔTw = 15ºC

f) Calcular la capacidad de refrigeración y el coeficiente de operación si el ciclo de refrigeración se llevase a cabo en una sola etapa

g) Justificar cualitativamente si compensa trabajar con dos etapas de refrigeración para el caso planteado

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PROBLEMA: cascadas

CASCADA: 2 ETAPAS

0.1 MPa

0.4 MPa

1.6 MPa

(a) Representación diagrama P-H ciclo descrito por el refrigerante

1

2

3

4

5

6

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8

1.6 MPa

0.4 MPa

0.1 MPa


PROBLEMA: cascadas

370100100210100100Título (%)

0.36300.33290.69280.69280.18020.16910.71710.7171S (kJ/kg·K)

98.1998.19215.60190.9743.6443.64197.95174.15H (kJ/kg)

8.1562.1968.88.15-30.108.1518.78-30.10T (ºC)

0.41.61.60.40.10.40.40.1P (MPa)

L-VL. sat.V. sobr.V.Sat.L-VL. sat.V. sobr.V.Sat.ESTADO

87654321

TABLA DE CORRIENTES

(b) Estado del refrigerante en cada una de las etapas

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PROBLEMA: cascadas

(c) Calcular la capacidad de refrigeración (kW)

(d) Determinar el coeficiente de operación

Balance de energía al cambiador de calor malta

Con la ecuación (3) obtenemos el trabajo de compresión y con la ecuación (2) el COP

kWHHmQ bajaREF 3.78)( 41 =−= &&

COMP

REF

wQCOP&

&= )()( 5612 HHmHHmw altabajaCOMP −+−= &&&

skgHHHH

mm bajaalta /998.0)()(

85

32 =−−

= &&

01.29.38

==

COPkWwCOMP&


PROBLEMA: cascadas

(e) Calcular el flujo másico de agua de refrigeración utilizado para enfriar el Freón 12 en el condensador si se sabe que ΔTw = 15ºC

Balance de energía al condensador mw

CkgkJCp

skgTCpHH

mm

w

wwaltaw

º184.4

/87.1)( 76

=

=Δ−

= &&

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PROBLEMA: cascadas

CICLO REFRIGERACIÓN

1 ETAPA

54.070100100Título (%)0.40460.33290.71710.7171S (kJ/kg·K)98.1998.19224.03174.15H (kJ/kg)-30.1062.1978.65-30.10T (ºC)

0.11.61.60.1P (MPa)

Mezcla L-V

Líquido saturado

Vapor sobrecalentadoVapor saturado

ESTADO4321

kWHHmQ bajaREF 6.45)( 41 =−= &&

kWHHmw bajaCOMP 93.29)( 12 =−= &&

52.1==COMP

REF

wQCOP&

&

(f) Capacidad de refrigeración y coeficiente de operación si hubiese una sola etapa


2. Regeneración (economizadores)

• Sistemas multietapa: el intercambiador de calor entre lasetapas (cascada) se sustituye por unaCÁMARA DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA (cámara de mezclamejores características de TQ)

• Sistema de cascada con refrigeranteúnico y transmisión de calor directa(mezcla)

• Reducen el flujo en la zona de altapresión

• Compresión se asemeja a unacompresión en dos etapas con interenfriamiento (disminuye w)

• Proporcionan varios niveles de T

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3. Licuefacción de gases

• Área importante de la refrigeración PROCESOS CRIOGÉNICOS(T < -100ºC) dependen de gases licuados:

• Separación de O2 y N2 del aire

• Estudio de propiedades a bajas T

• GASES LICUADOS COMUNES: He, N2 e H2

(Tc,He = -268ºC; Tc,H2 = -240ºC y Tc,N2 =-147ºC (no existirán en forma líquida en condiciones atmosféricas)

• ¿Cómo reducir la T de estos gases por debajo de la Tc?

• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON



• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON

2-3: Compresión multietapa con refrigeración intermedia

3-4: Primer enfriamiento

4-5: Segundo enfriamiento en el regenerador

5-6: Expansión en la válvula hasta mezcla L-V

7: Producto líquido deseado

8-9: Vapor se calienta en el regenerador

El gas 9 +gas de reposición 1 = gas 2 (inicia el ciclo)

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• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• Propiedades


• Cascadas



• SISTEMAS DE REFRIGERACISISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN



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Sistemas de refrigeración

• Aplicaciones que requieren refrigeración a más de una T

• Disposiciones muy complejas, buscando la eficacia

• Unos pocos elementos básicos


Sistemas de refrigeración: EJEMPLO

UNIDAD REFIGERADOR-CONGELADOR CON UN COMPRESOR

• Enviar todas las corrientes de salida de los evaporadores a un solo compresor

• El compresor realiza el trabajo de compresión

• Válvula de expansión a P más alta (T más alta) ESPACIO REFRIGERADO

• Válvula de expansión hasta Pmínima CONGELADOR

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• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas




• CICLOS DE REFRIGERACICICLOS DE REFRIGERACIÓÓN DE GASN DE GAS



Ciclos de refrigeración de gas

• Ciclo de BRAYTON INVERTIDO

1-2: Compresión isoentrópica

2-3: Enfriamiento a P = cte

3-4: Expansión isoentrópica

4-1: Calentamiento a P = cte

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS

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Ciclos de refrigeración de gas

• Incluyen componentes simples más ligeros (aviones)

• Pueden incorporar regeneración (licuefacción de gases)

CarnotCompresióninvBrayton

salturbecomp

L

eneto

LinvBrayton

COPCOPCOP

wwq

wqCOP

<<

−==

,

,,,,

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CON REGENERACIÓN





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas





• CICLOS DE ABSORCICICLOS DE ABSORCIÓÓNN

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Sistemas de refrigeración por absorción

• Forma de refrigeración económica cuando existe una fuente de energía térmica barata (100 a 200ºC) “aprovechamos calor de baja T para producir frío”

• Energía geotérmica

• Energía solar

• Calor desecho de cogeneración o planta de vapor de proceso

• Implica absorción de un refrigerante por un medio de transporte

• NH3 (ref)-Agua

• Agua (ref)-bromuro de Li; Agua (ref)-cloruro de Li

• Similar al ciclo de compresión de vapor COMPRESOR: Absorbedor + Bomba + Regenerador + Generador vapor + Rectificador y una válvula

• VENTAJAS

• Se comprime un líquido en vez de un vapor (wflujo ↓ suele ser despreciable)

• Trigeneración: calor; frío; energía eléctrica

• INCONVENIENTES

• Costosos, complejos, ocupan espacio

• Menos eficientes

• Requieren torres de enfriamiento más grandes para liberar qresidual


Sistemas de refrigeración por absorción

Alta P

Baja P

Absorción + Reacción

Reacción exotérmica

Retirar q para disolver la mayor cantidad NH3 posible

Ds. Concentrada

NH3

Ds. Diluida

NH3

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Comprender la importancia y las aplicaciones de la refrigeración en la Industria Química

2. Entender el funcionamiento básico de los ciclos de compresión de vaporideales basados en el ciclo de Carnot invertido: aspectos imprácticos, ciclos prácticos de compresión, ciclos reales, representación T-S y P-H y calculo COP

3. Conocer los refrigerantes más empleados, los criterios de selección y las propiedades más importantes

4. Comprender el funcionamiento de los procedimientos más empleados en sistemas de refrigeración: cascadas de refrigeración, utilización de economizadores (regeneración) y licuefacción de gases

5. Entender el funcionamiento básico de los ciclos de compresión de gas (ciclo de Brayton invertido):representación T-S y P-H y cálculo del COP

6. Conocer los fundamentos de los sistemas de refrigeración por absorción y las principales ventajas e inconvenientes frente a los ciclos de compresión de vapor convencionales

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 11. REFRIGERACIÓN

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