Principios de Refrigeración

 

Principios de Refrigeracio Refrigeracio n   La refrigeración es un proceso termodinámico, donde se extrae el calor de un cuerpo o espacio (bajando así su temperatura) y llevarlo a otro lugar l ugar donde no es importante su efecto. Los fluidos utilizados para extraer la energía cinética c inética promedio del espacio o cuerpo a ser enfriado, son llamados refrigerantes, los cuales tienen la propiedad de evaporarse a bajas temperaturas y presiones positivas.

 Aplicaciones  Aplicaciones Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:  

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. nuclear.  

 

La Criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas' empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.

 

Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. 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 l ubricación 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.



Tipos de Ciclos Ciclo ideal de refrigeración ref rigeración por compresión de vapor. En este ciclo de refrigeración el refrigerante de evapora y se condensa alternadamente alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos:  



Compresión isentrópica en un compresor.

 

 

Disipación de calor a presión constante en un condensador.

 

Estrangulamiento en un dispositivo de expansión. expansión.  

 

Absorción de calor a presión constante en un evaporador.







De acuerdo a los procesos anteriores, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador.  condensador.  La temperatura del superior refrigerante durantedel el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy al deaumenta la temperatura medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado de la disipación de calor hacia el entorno. El refrigerante, como líquido saturado en el estado 3, se dilata hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra en el evaporador en el estado 4 como vapor húmedo de baja calidad y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor completando el ciclo.

Ciclo real de refrigeració refrigeración n por compresión de vapor. Difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los l os 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.

Sistemas de refrigeración en cascada. Un ciclo de refrigeración en cascada consiste el efectuar el proceso de refrigeración por etapas es decir dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos de conectan por medio de un intercambiador de calor en medio el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior. Suponiendo que el intercambiador de calor está bien aislado y que las energías cinéticas y potenciales son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. En el sistema de cascada los refrigerantes en ambos ciclos de suponen iguales iguales..3 

Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina

 

sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. El proceso de compresión en este sistema es similar a una compresión de dos etapas. Y el trabajo del compresor disminuye.

Sistemas de refrigeración de propósito múltiples con un solo compresor. Algunas aplicaciones requieres refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograse con una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes, sin embargo un modelo más práctico es enviar todos los flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo. Sistemas de refrigeración por absorción. Otra forma de refrigeración cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200º 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. Elel sistema de refrigeración por absorción másyutilizado es el sistema amoniaco-agua, donde amoniaco (NH3) sirve como refrigerante el agua (H2O) es el medio de transporte.

explicado paso a paso:  Ahora explicado paso: 1.- Compresión del refrigerante: Este proceso se realiza por medio de un compresor, comienza en la entrada del sistema a baja presión, el e l refrigerante que se va a comprimir viene directo del evaporador (la parte que "enfría"), " enfría"), como absorbió calor de este (del evaporador) el gas viene caliente, por lo que se comprime gas a alta temperatura y con c on gran cantidad de calor. 2.- Condensación del refrigerante.- El refrigerante se encuentra en estado gaseoso al entrar al condensador (muchos lo conocen como radiador o serpentín), en este elemento, se le retira, por medio de la conveccion, el calor excesivo que este llegue l legue a tener, cuando a un gas se le retira calor, este se condensa o se licua (pasa de estado gaseoso a estado líquido). 3.- Evaporación.- Cuando nosotros echamos agua en una sartén caliente, esta se evapora rápidamente, es decir se convierte en gas. Bueno, si tocásemos el área en que se evaporo el agua, estaría relativamente más "fría" que el área restante. Porque todo liquido al evaporarse absorbe calor del medio que lo rodea. Este principio es el que se utiliza para poder "enfriar" nuestro evaporador. Se hace pasar al líquido refrigerante al evaporador que se encuentra "caliente" y al entrar en contacto con él, el líquido absorbe el calor del medio y se evapora.

 

  De esta manera obtenemos que, el nuevo gas que se obtuvo (gas a baja presión y con c on gran cantidad de calor y temperatura) pasa al compresor, de nuevo, y comienza de nuevo el ciclo de refrigeración.

Tipos de expansiones  

Tubo capilar.

 

Válvula de expansión termostática.

 

Válvula de expansión automática.

 

Válvula manual.

 

Válvula de flotador en la alta presión.

 

Válvula de flotador en la baja presión.

 

Válvula electrónica.















Elementos secundarios   Filtro deshidratador (flare). 

 

Separador de aceite.

 

Indicador de humedad y líquido.

 

Presostato de baja presión.



 

Presostato de alta presión.

1.  1. 

Acumulador de líquido







 



Válvula de solenoide

 

Ciclo de Carnot   El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q 1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q 2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Carnot.   Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor. calor.  

Etapas  El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el Criterio de signos termodinámico.   termodinámico. Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el e l diagrama) Se parte de una situación en que el

gas encuentra al mínimo volumen del ciclo T1 de la fuente caliente.que En estese estado se transfiere calor al cilindro c ilindro desdey alatemperatura fuente de temperatura T 1, haciendo el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T 1 y mantiene su temperatura constante. Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto

de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso. Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema l a fuente de calor de

temperatura T y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque 2

 

va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona

comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.

Teoremas de Carnot  1.- No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas  fuentes térmicas. térmicas.  2.- Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.  

 

Ciclo de Carnot invertido   En el ciclo inverso, el sentido de giro es opuesto al de las l as agujas del reloj, y en el aportamos trabajo trabajo mecánico para obtener dos focos, uno frío y otro caliente. En otras otras palabras, mediante aporte de trabajo conseguimos hacer un trasvase de calor desde el foco frío al foco caliente. Este proceso es el principio de funcionamiento de la mayoría de las máquinas frigoríficas y aunque, como veremos más adelante, las máquinas reales no realizan este ciclo puramente teórico, nos sirve para su explicación y mejor comprensión. Este forma de funcionamiento del ciclo sirve para generar calor mediante la denominada “bomba de calor” y fundamentalmente fundamentalmente como como sistema de extracción de calor calor o, lo que es

lo mismo, generación de frío.

Al ser un ciclo reversible, podemos invertir cada uno de los procesos y convertir la máquina Carnot en un refrigerador. Este refrigerador extrae una cierta cantidad de calor | Q ff de   | del foco frío, requiriendo para ello una cierta cantidad de trabajo | W | , arrojando una cantidad de calor | Q c | en el foco caliente. El coeficiente de desempeño de un refrigerador reversible como el de Carnot es

ya que, como en la máquina de Carnot, la cantidad de calor intercambiada con cada foco es proporcional a la temperatura de dicho foco.

 

Para un refrigerador que trabaje entre una temperatura de 5°C y 22°C, este coeficiente de desempeño vale

Este valor es el máximo que puede alcanzar un refrigerador real, aunque los valores prácticos del COP están muy por debajo de esta cantidad.

 

 

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA INGENIERÍA MECÁNICA

Refrigeración y Aire Acondicionado 

Principios de refrigeración, Ciclo de Carnot y  Ciclo de Carnot invertido  

8MR  

Arturo Castillo Ugalde

Maestro: Lic. Gaspar Pérez Ávila

Enero – Junio de 2013