Sistemas de Producción de Frío

 

Sistemas de Producción de Frío UNIDAD 2

 

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  Hasta ahora hemos estud estudiado iado ciclos simples basados en el modelo modelo de Carnot.

 El ciclo termodinámico más utilizado para la producción de frío es el ciclo por compresión mecánica, presente en la mayoría de los ciclos frigoríficos.   Existen otras variantes de sistemas de producción de frío que difieren en algunos aspectos, entre ellos están: •

  Refrigeración por evaporación

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Refrigeración por absorción Refrigeración por compresión en cascada Refrigeración en etapas múltiples Refrigeración termoeléctrica

  Refrigeración termomagnética

 

Enfriamiento por evaporación Enfriamiento

 

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  El en enfr fria iami mien ento to po porr ev evap apor orac ació ión n,  también llamado   enfriamiento enfriamiento adiabático, es una técnica que enfría el aire mediante la evaporación de agua.

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  El pr prin inci cipi pioo de fu func ncio iona nami mien ento to se basa basa en empl emplea earr la el elev evad adaa en enta talp lpía ía de vaporización del agua.

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 El aire caliente que entra del exterior pasa por unos filtros saturados de agua, provocando una evaporación parcial del agua, y se expulsa aire frío.

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  En climas extremadamente secos, además tien tienee la ve vent ntaj ajaa ad adic icio iona nall de agre agrega garr humedad al ambiente.   Los sistemas de refrigeración por evaporación necesitan una fuente de agua adicional.

 

   Consiste 

en disminuir la temperatura temperatura del aire utilizando agua.

 Su principio de ,funcionamiento es elaasegurando mismo queelusa el cuerpo de humano cuando, a través del sudor, sudor evapora la humedad segurando enfriamiento la piel.

  Usa

sólo el 10 % de electricidad comparado con un sistema de aire acondicionado

convencional. tipo de refrigeración es ideal en lugares donde el aire es caliente y la humedad es baja.   No utiliza refrigerantes. frío 100 % fresco y nuevo.    Suministra aire frío   Este

  Baja huella de CO2.   Ingeniería sencilla.

 

Enfriamiento por evaporación directa El agua se aevapora en que la corriente de aire, reduciendo así la temperatura temperatur del aire,directamente al mismo tiempo éste ést e se humidifica. hu midifica.   Se añade directamente humedad a la corriente ddee aire hasta que la la corriente de aire está cerca de la saturación. •

 

Enfriamiento por evaporación indirecta El aire primario se de calor, mientras que el aire secundario se enfría lleva lleva elmediante calor del un aireintercambiador primario primario en forma de de vapor generado. •

  No se añade humedad a la corriente corriente de aire primario.

 

Enfriamiento por evaporación indirecta/directa   Primera

Etapa. La corriente de aire primario se enfría primero con el enfriamiento evaporativo indirecto.   Segunda

Etapa. La corri corrien ente te de aire aire evaporación directa.

se enfrí enfríaa adic adicio iona nalm lmen ente te con el enfr enfria iami mien ento to por por

 

Enfriamiento por evaporación indirecta/indirecta   Primera

etapa. La co corr rrie ient ntee de aire aire prim primar ario io se en enfr fría ía me medi dian ante te el enfr enfria iami mien ento to po porr evaporación indirecta.   Segunda

etapa. El agua utilizada utilizada en la refrigeración refrigeración de la primera primera etapa pasa a través del lado húmedo de una bobina, bobina, donde la vuelve líquida líquida y reduce la temperatura temperatura y con esta misma se elimina el calor latente adicional adicional de la corriente primaria.

 

Air Aire e acon acondic dicion ionado ado

Enfriador ador evapor evaporativo ativo Enfri

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  Uti Utiliza lizann el princ principio ipio de la evapor evaporació aciónn del agua para producir aire fresco.   Ecológico: no utiliza refrigerantes, sólo agua.   Aumenta llaa humedadendel ambient ambiente, quee es mejor su instalación zonas secas.e, por lo qu   Cons Consigue igue des descen censos sos de entre 10 y 15 grados con una humedad del 60 %.   Par Paraa funcionar re requiere quiere de una cor corriente riente de aire aire,, lugares abiertos.   Consume m menos enos elect electricidad ricidad que un equ equipo ipo de aire tradicional.   Equipos más baratos con instalación más sencilla.

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  Ut Util iliz izaa princ princip ipio ioss de la te term rmod odin inámi ámica ca para para extraer el calor del ambiente.   Utili Utiliza za refrigerantes, refrigerantes, au aunque nque hoy existen existen gases que no emiten emisiones.   No au aume ment ntaa la hu hume meda dadd del del am ambi bien ente te.. Su instalación no depende depend e de la humedad humed ad exterior. exterior.   Control total de la temperatura sin variación de la humedad ambiente.   Funcionamiento óptimo en lugares cerrados, no requiere de corrientes de aire.   Consumo eléctrico más elevado.   Equ Equipos ipos más cos costos tosos, os, requie requiere re inst instala alación ción y tubos de entrada y salida del aire.

 

Funcionamiento básico de una torre de enfriamiento de agua El principio de de funcionamiento se lo basa enseque el agua, al evaporarse absorbe energía su alrededor, por tanto enfría.

 

Refrigeración por absorción

 

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  La La refrigeración  refrigeración por absorción es absorción  es un sistema de producción de frío que, al igual que otros medios de refrigeración, aprovecha la absorción de calor de ciertas sustancias durante un cambio de fase.

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  Así Así como como en el si sist stem emaa de co comp mpre resi sión ón el cicl cicloo se ha hace ce medi median ante te un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que como tienenelalgunas sustancias, como es el emplear bromuroeldeagua litio, de absorber otras, agua. Otra sistema común como absorbente y amoníaco como absorbato.

 

En un ciclo un ciclo de compresión compresión,, la circulación del refrigerante y aumento requerido en la presión se obtiene   usan usando do un com compr preso esorr mec mecáni ánico co;; en el   ciclo ciclo de absorción esto absorción  esto se absorbente logra aportando al generador donde el refrigerante mezclado con el cuyacalor función es absorber el vapor en la zonaestá de baja presión para poder devolverlo en forma líquida al generador gen erador..

 

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  Absorción del refrigerante (vapor) sobre un líquido.   Comp Compre resi sión ón del del lí líqu quid idoo (men (menor or coste de compresión).

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  Necesidad de un sistema de separación absorbente–refrigerante antes condensador. Seorrequiere de una undel a fu fuen ente te de cal alo (c (cos oste te energético)

 

Funcionamientoo de un equipo de absorción Funcionamient 



  El sistema de enfriamiento por absorción, al igual que otros sistemas, cuenta con un condensado ador, una válvula de expansión ex pansión y un u n evaporador. evaporador.   Sin Sin em emba barg rgo, o, en vez vez de ut util iliz izar ar un compresor tradicional, se emplea un conju co njunt ntoo abso absorb rbed edor or,, gene genera rado dorr de vapor,, una pequeña bomba de líquido y vapor una fuente de calor.

 

Funcionamientoo de un equipo de absorción Funcionamient 



  A la salida del evaporador, el re refr frig iger eran ante te ( para nuestro análisis supone sup onemos mos el am amoni oniac aco o) entra en el absorbedor.   dAilsoleuncitóranr epnobrecontadceto caomnoniuancoa proced pro cedent entee del generad generador or y, ade además más enfriase mediante la circulación por un circuito secundario de agua fría, esta diso di enr enriq uece co que obsolu teluci neción món os se una un a ique disce, ol,uccon ió n loagqu ua ua-eamoniaco de alta proporción.

 

Funcionamientoo de un equipo de absorción Funcionamient 

  Mediante Mediante una bomba que consume consume una cantidad de energía muy pequeña (en el balance global es casi inapreciable), se envía esta disolución concentrada al generador, el cual mediante un aporte exterior de calor (calor que se puede aprovechar del condensador) evapora gran parte del amoniaco, y lo envía al condensador.

 

Funcionamient Funcionamientoo de un equipo de absorción 

  La parte de amoniaco que no se ha evap ev apor orad adoo queda ueda en la diso disolu luci ción ón,, ahor hora diluida. Ést staa se reenv eenvíía al absorbedo absor bedorr pasando pasando previamente previamente por una válvula que permite mantener por separado las presiones bajas ajas del absorbedor y altas a ltas del generador. generador.

 

Ejemplo

 

Ventajas y desventajas de la refrigeración por absorción a bsorción 

  Un equipo de refrigeración por absorción requiere de calor, que puede producirse por múltiples procesos y provenir de diversas fuentes. fu entes.

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  Permiten utilizar energías alternativas o calor residual.

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  Menor consumo de trabajo en la bomba.

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  directamente La ef efic icie ienc nciiaconener enun ergé géti ticca de del decompresión l si sist steema de (C (COP OP) ) ,no pued uedaela variedad co comp mpar arar arse se equipo vapor, vapor debido de fuentes de calor que se pueden emplear. emplear.

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  inmovilidad. Los aparatos de refrigeración por por absorción son más voluminosos y requieren

 

Refrigeración por compresión en cascada

 

Dificultades de aplicación aplicación del ciclo ideal de refrigeración •

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  Algunas Algunas apli aplicaci caciones ones indu industri striales ales requi requieren eren temp temperat eraturas uras mod moderad eradament amentee bajas, y el intervalo de temperatura que involucran (100 grados aprox.) es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico.   Un gran intervalo de temperatura temperatura significa también un gran gran nivel de presión presión en el ciclo y un pobre desempeño en el compresor.   Una manera de enfrentar esas situaciones consiste en efectuar el proceso proceso de refrigeración por etapas, es decir, decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie.

 

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 El ciclo de refrigeración en cascada se caracteriza por subdividir en dos el proceso de intercambio de calor entre el foco frío y el caliente, por lo que requiere de un intercambiador de calor intermedio aislado térmicamente.

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 Este ciclo básicamente es un conjunto de ciclos de compresión de vapor simple en serie.

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  El condensador de un ciclo de temperatura inferior inferior,, proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor. mayor.  El refrigerante, por lo  general, en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión

 

¿Cómo funciona este ciclo? 

Suponiendo que el intercambiador de calor está bien aislado y que las energías cinética ciné tica y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en en el ciclo inferior serenigual a la superior. transferencia de calor deldebe fluido el ciclo

 

Ventajas y desventajas del ciclo

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 La ventaja principal de este sistema con respecto al clásico es que gracias a las etapas podemos obtener un rendimiento energético mejor, es decir, podemos absorber mayor cantidad de calor de nuestro foco frío y a una temperatura incluso inferior inferior..

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 El trabajo del compresor disminuye y la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas eta pas en cascada. Por lo tanto, el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeración. Algunos sistemas de refrigeración usan tres o cuatro cuat ro etapas en cascada.

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 Las limitaciones que impiden el uso generalizado de este tipo de instalación son el aument ntoo de coste con respecto a una inst stal alac aciión simple, princi pri ncipal palmen mente. te. Sin emb embarg argo, o, en gra grande ndess apl aplica icacio ciones nes ind indust ustria riales les,,   la eficiencia —no la simplicidad— es lo que más importa.

 

Refrigeración por compresión de múltiples etapas

 

   Al

igual que el caso anterior, se trata de una variante de un ciclo de compresión de vapor simple.

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 Es similar al elsistema de refrigeración La principal diferencia con éste es que ciclo multietapa realizaenuncascada. escalonamiento donde se fracciona el fluido, por lo que se impide que se utilicen dos fluidos distintos.

Puesto sustituirse que se utiliza fluido, intercambiador calor entre las etapas puede por un unasólo cámara de el mezclado (llamadade  cámara de vaporización instantánea),

 

¿Cómo funciona este ciclo? 

  Al

salir del compresor, el refrigerante líquido se expande en la primera válvula de expansión (6) hasta la presión de la cámara de vaporización instantánea.

   En

la cáma cámara ra de vapo vapori riza zaci ción ón,, part partee de dell líquido se evapora en esta parte. Este vapor saturado (3) se mezcla con el vapor sobr sobrec ecal aleentad ntadoo del comp ompreso resorr de baja baja presión (2), y la mezcla entra al compresor de alta presión (9).

   Esto

es, en esencia, un proceso de rege regene nera raci ción ón.. El lí líqu quid idoo sa satu tura rado do (7 (7)) se expande a través de la segunda válvula de expansión hacia el evaporador, para absorber

calor del espacio refrigerado.  

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  Co Como mo se pue uedde obse serv rvar ar,, se sustituye el intercambiador por dos y cámaras, otra deuna de meseparación zcla del refrigerante.

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  cAal sciagdua,l que aeunmeenltaciclo eenl rendimiento y se pueden obtener temperaturas más bajas y menor consumo de trabajo. 

  La mayor complejidad de cons co nstr truc ucci ción ón y re regu gula laci ción ón de este tipo de instalaciones limita su aplicación.