REALIZADO POR:
Francisco Luna I 3,5
Andrés Mayorga G 4,3
Ronald Ospino
Eduardo Tapia I 3,5
Heiner Vega
INTRODUCION
Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío o la
refrigeración revisten un gran interés dentro de la evolución industrial
a que obliga la continua alza de la vida.
Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el
frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y
social.
Lo cual trae por consiguiente una alta demanda energética en todo el
mundo, siendo hoy foco de estudio en el proceso de eficiencia
energética global y que abarca muchas ingeniería como la ingeniería
eléctrica.
Hablar de los ciclos de refrigeración es hablar de las técnicas de
producción de frio y que consiste en mantener un espacio a una
temperatura T más baja que la del ambiente. Y esto tiene un sin
número de aplicaciones:
Conservación de alimentos
Acondicionamientos del aire
Combustibles líquidos (cohetes)
Medicina (N2 liquido, criogénica,…)
Investigación (microscopios electrónicos, superconductividad,…)
CONCEPTOS BASICOS
Calor:
Tasa de Transferencia de calor:
Calor especifico:
Entropía:
CONCEPTOS BASICOS
Proceso Isentrópico: Iguales entropías “S”
Proceso Isotérmico: Iguales Temperaturas “T”
Entalpia : “H” Es la cantidad de energía que un sistema puede
intercambiar con su entorno.
Grafica de cambio de fase P-v, T-v y T-s
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR.
Sabemos que de manera natural el calor fluye de las zonas de mayor
temperatura a la de menor temperatura. Este proceso fluye en la
naturaleza sin que se requiera algún dispositivo.
El proceso inverso, sin embargo, no sucede por sí solo. La
transferencia de calor de una región de baja temperatura a una de alta
temperatura requiere de dispositivos especiales. Estos dispositivos se
denominan refrigeradores.
Los Refrigeradores son dispositivos cíclicos, que mantienen una
temperatura T mucho menor que la de su entorno y los fluidos de
trabajo utilizados en su ciclo de refrigeración se llaman refrigerantes.
Bomba de calor Es un dispositivo cíclico que transfiere calor de un
medio de baja temperatura a uno de alta temperatura.
Los refrigeradores y las bombas de calor son
esencialmente lo mismo, únicamente difieren de
sus objetivos:
El refrigerador mantiene un espacio refrigerado
a una temperatura más baja de su ambiente,
extrayendo calor de él y la descarga de este calor
a un medio de temperatura alta es una parte
necesaria de esta operación.
Y el objetivo de la bomba de calor es mantener
un espacio calentado a una temperatura mayor
que el ambiente. Esto se logra al absorber calor
de una fuente de baja temperatura.
CICLOS DE REFRIGERACION O PRODUCION DE FRIO
Ciclo por compresión de vapor: donde el refrigerante se evapora y se
condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor.
Cicló refrigeración de gas: en el que el refrigerante permanece todo el
tiempo en estado gaseoso.
Ciclo por refrigeración en cascada: donde se utiliza más de un ciclo de
refrigeración.
Ciclo refrigeración por absorción: donde el refrigerante se disuelve en un
liquido antes de ser comprimido.
Refrigeración Termoeléctrica, donde la refrigeración es producida mediante
el paso de la corriente eléctrica a través de dos materiales distintos.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Hablar de producción de frío es tanto como hablar de extracción de calor;
existen diversos procedimientos que permiten su obtención, basados en el
hecho de que si entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la
transmisión de calor de uno a otro se puede efectuar por conducción y
radiación.
Procedimientos químicos.Procedimientos físicos.Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia
subdividen
- Por fusión
- Por sublimación
- Por vaporización
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
- Por vaporización
Circuito abierto (vaporización directa)
Circuito cerrado
Como característica general de estos métodos, hay que hacer un aporte de energía
al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
CLASIFICACIÓN.- Las máquinas frigoríficas se pueden clasificar, según el
sistema utilizado para la recogida de vapores, en la siguiente forma:
Máquinas de adsorción, en las que los vapores son captadas mediante un
absorbente sólido.
Máquinas de absorción, en las que los vapores que se forman añadiendo
calor al sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente
líquido.
Máquinas de eyección, en las que los vapores son arrastrados por el efecto
Venturi que genera el paso de otro fluido a gran velocidad.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y
comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador; los
compresores pueden ser de émbolo o rotativos, con o sin refrigeración
intermedia. Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y
funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en
los frigoríficos industriales.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso En estos
sistemas se consigue el enfriamiento del mismo, mediante dos tipos de
máquinas:
a) Para la producción de aire líquido, (efecto Brayton- Joule-Thomson)
b) Las máquinas refrigeradoras de aire, en las que el aire comprimido al
expansionarse en un expansor (turbina o cilindro de trabajo), se enfría,
realizando al mismo tiempo un trabajo, que puede ser aprovechado para la
compresión del aire.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido
frigorígeno.- En estos sistemas se utiliza un fluido frigorígeno (salmuera)
que previamente se ha enfriado por algún tipo de procedimiento; durante el
enfriamiento de la salmuera no se produce cambio de estado en la misma, ni
tampoco cuando ésta capta calor del producto a enfriar, por lo que el calor
eliminado de la carga lo toma la salmuera en forma de calor sensible.
TÉCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
Métodos especiales.- Existen otros métodos en los que la producción de frío
se obtiene por técnicas distintas de las anteriormente descritas, pudiéndose
enunciar, entre otras, las siguientes:
-Efecto Peltier (Termoeléctrico).-Efecto Haas-Keenson.-Efecto Ettingshausen (Termo-magneto-eléctrico).-
-Efecto de Ranke-Hilsh (Torbellino).-
CICLO INVERSO DE CARNOT
Ciclo de Carnot: Es el ciclo en que muchas maquinas térmicas trabaja en el
cual un fluido de trabajo cambia de estado y al final vuelve a su estado
inicial. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante la otra
parte se hace trabajo sobre el fluido.
El ciclo de Carnot consta de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y
dos adiabáticos (isentrópicos) y que es posible llevar a cabo en un sistema
cerrado.
El ciclo inverso de Carnot es conocido también como el ciclo de
refrigeración de Carnot y es el modo de operación de muchas maquinas de
producción de frio y estas maquinas se conocen como maquinas de
refrigeración de Carnot.
CICLO DE CARNOT
DIFERENCIA ENTRE EL CICLO DE CARNOT Y CICLO INVERSO
COEFICIENTES DE EFECTO FRIGORÍFICO COPr y COPbc
Los ciclos inversos de motores térmicos, o ciclos frigoríferos, permiten la
transferencia de calor desde una fuente fría, hasta otra fuente a mayor
temperatura, fuente caliente; estos ciclos vienen caracterizados por un
coeficiente de efecto frigorífico, que es la relación entre la cantidad de calor
extraída a la fuente fría y el trabajo aplicado al ciclo mediante un compresor.
El desempeño de Refrigeradores y Bombas se expresa en términos del
COEFICIENTE DE DESEMPEÑO (COP).
COEFICIENTES DE EFECTO FRIGORÍFICO COPr y COPbc
El índice COP se relaciona con el Índice de eficiencia energética EER; que
es la cantidad de calor eliminado en un espacio enfriado en unidades de BTU
o Wh y sabiendo que 1 Kwh = 3412 BTU
Su relación seria :
CICLOS DE REFRIGERACION
LOS CICLOS MÁS UTILIZADOS SON:
CICLO IDEAL POR COMPRESION DE VAPOR
CICLO IDEAL POR COMPRESION DE VAPOR
Este ciclo es el más utilizado en refrigeradores, sistemas de
acondicionamiento de aire y bombas de calor.
Y se llama ideal por es un proceso reversible donde no existe perdidas de
calor y no hay caídas de presiones
Se compone de cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica en un compresor
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Estrangulamiento de un dispositivo de expansión
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
CICLO REAL POR COMPRESION DE VAPOR
Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno
ideal principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios
componentes.
Dos fuentes comunes de irreversibilidad:
• Son la fricción del fluido (causa caídas de presión)
• Transferencia de calor hacia o desde los alrededores
El diagrama T-S seria y su esquema seria:
SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACION POR
COMPRESION DE VAPOR
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado y
más adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeración.
Estos sistemas son simples, económicos, confiables y prácticamente
libres de mantenimientos. Sin embargo para aplicaciones industriales la
eficiencia – no la simplicidad es lo más importante. También pará
procesos industriales resulta inadecuado y se necesita modificarse.
SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA
SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE MULTIPLES
ETAPAS
SISTEMAS DE REFRIGERACION DE PROPOSITO MULTIPLE CON UN
SOLO COMPRESOR
SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA
SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE
MULTIPLES ETAPAS
SISTEMAS DE REFRIGERACION DE PROPOSITO MULTIPLE
CON UN SOLO COMPRESOR
CICLO DE LICUEFACCION DE GASES
La licuación o licuefacción es el cambio de estado gaseoso al líquido. El
proceso ocurre por la acción de la temperatura y el aumento de la presión,
lo que diferencia a la licuación de la condensación, la cual contece
cuando una sustancia cambio de estado pasando del vapor al líquido,
únicamente por la disminución de la temperatura.
La licuefacción de gases siempre ha sido un área importante de la
refrigeración, pues muchos procesos científicos, procesos de ingeniería a
temperaturas criogénicas (temperaturas por debajo de -100°C) y la
producción industrial de muchos gases, depende de gases licuados,
algunos ejemplos es la obtención de gases como Oxigeno, Nitrógeno,
Helio, Hidrogeno, preparación de propulsores líquidos para cohetes, el
estudio de materiales a bajas temperaturas y el estudio de la
superconductividad.
CICLO DE LICUEFACCION DE GASES
A temperaturas superiores al valor del punto crítico, una sustancia existe
únicamente en fase gaseosa, las temperaturas críticas del Helio,
Hidrogeno, Nitrógeno (tres gases licuados de uso común) son -268°C, 240°C, -147°C, por lo cual ninguna de esas sustancias existiría en forma
líquida en condiciones atmosféricas, además las bajas temperaturas de
esta magnitud no se obtiene con técnicas ordinarias de refrigeración.
Para conseguir estas temperaturas se analiza y se utiliza el CICLO DE
LINDE-HAMPSON que se
CICLO DE LICUEFACCION DE GASES
CICLO DE LINDE-HAMPSON
CICLO DE REFRIGERACION DE GAS
También es conocido como el Ciclo inverso de Brayton o también
conocido como Ciclo inverso Joule o Ciclo inverso Froude
Ciclo de Brayton Es un ciclo termodinámico consistente, en su forma
más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de
calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido
termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más
amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas.
Este ciclo de refrigeración de gas se desvía del ciclo de Carnot invertido
en que los procesos de transferencia de calor no son isotérmicos si no
isobáricos, de hecho durante la transferencia de calor la temperatura varia
considerablemente.
Esta diferencia se deduce a partir del esquema y su diagrama T-S Ciclo
inverso de Brayton
SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCION
Esta es otra forma de refrigeración que tiene un atractivo económico
cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de
100°C a 200°C, es la Refrigeración por absorción.
Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción
implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte.
El sistema más utilizado es el sistema de amoniaco-agua donde el
amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2o) es el medio de
transporte.
Las maquinas que se utilizaron a partir de este principio son, para fabricar
hielo y conservar alimentos.
SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCION
Si observamos el esquema y el diagrama T-S para un sistema de
absorción por amoniaco.
SISTEMAS TERMOLECTRICOS DE GENERACION DE
POTENCIA Y REFRIGERACION
Todos los sistemas estudiados hasta el momento requieren partes móviles,
componentes voluminosos y complejos. Y existe hoy en día un sistema
más sencillo el cual no tiene tantos componentes. Este consiste en
emplear energía eléctrica de maneara más directa para producir
enfriamiento sin involucrar ningún refrigerante ni partes móviles.
Este sistema se considera refrigeración termoeléctrica y parte del efecto
SEEBECK pero como este no era experto en termodinámica al invertir la
dirección del flujo electrones, aplicando un voltaje externo en dirección
contraria hubiera creado el efecto de refrigeración. El cual si fue
descubierto por PELTIER y se denomina efecto Peltier y constituye la
base de la refrigeración termo eléctrica.
SISTEMAS TERMOLECTRICOS DE GENERACION DE
POTENCIA Y REFRIGERACION
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CICLOS DE REFRIGERACION