Tarea S6, termodinamica

Ciclos de refrigeración Sebastián Molina Calderón Termodinámica Instituto IACC 30-09-2018

Desarrollo INSTRUCCIONES: DESARROLLO DE LA TAREA: 

Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias.

Respuesta:

En tema de comparación, las diferencias fundamentales que podemos mencionar, entre los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, y el ciclo invertido de Carnot son:



El fluido de trabajo entra en el compresor en condiciones de vapor saturado, provocando un sobrecalentamiento del mismo, esto hace necesario tener que enfriar el vapor, desde la temperatura a la salida del compresor hasta la condensación a la misma presión



A la salida del condensador (en condiciones cond iciones de líquido saturado) el fluido se somete a una expansión isoentálpica en vez v ez de isentrópica, con el fin de simplificar la instalación. Proceso que se consigue por medio de una válvula de estrangulamiento.

Se le denomina ciclo teórico, debido a que no se consideran pérdidas de presión en los conductos,  por el carácter isentrópica de la compresión y por el carácter saturado del fluido tanto tras la condensación como la evaporación, por su parte el ciclo real, representa una mayor aproximación a los ciclos recorrido de los fluidos refrigerantes de un a máquina de refrigeración real, las diferencias entre el ciclo teórico y el ciclo real se fundamentan en los siguientes aspectos: 

Compresión no isentrópica, caracterizada por un ren dimiento isentrópica inferior a la unidad.



Sobrecalentamiento del vapor en la parte final del evaporador. Si éste existe, el vapor no entra en el compresor saturado sino sobrecalentado, tiene su lado beneficioso ya que qu e asegura ausencia de líquido en el compresor, pero a la vez perjudicial debido a que eleva demasiado la temperatura máxima del ciclo a la salida del compresor.



Sub-enfriamiento del líquido en la parte final del condensador.



Pérdidas de presión a través de los conductos.



Pérdidas de calor en los conductos que conectan el condensador y el evaporador con el compresor y la válvula.

Tabla de similitudes y diferencia entre ciclos

Ciclos

Invertido de Carnot

Similitudes

o

o

Trabajan

Ideales

con

o

con

o

Trabajan

con

fluidos

fluidos

condensables.

condensables.

condensables.

Utiliza

presión

y

o

Utiliza

Su

fluido

contra

ciclo

Utiliza

presión

y

o

temperatura.

de

o

refrigeración.

o

Trabajan

fluidos

temperatura.

o

Reales

Utiliza

las

manecillas del reloj

o

Su

fluido

contra

ciclo

presión

y

temperatura.

de

o

refrigeración.

opera

Utiliza

Utiliza

fluido

de

refrigeración.

opera las

manecillas del reloj

o

Su contra

ciclo

opera las

manecillas del reloj

en un diagrama T-s.

o

Diferencias

Proceso isotérmico

en un diagrama T-s.

o

Proceso isotérmico

en un diagrama T-s.

o

de condensador y

de condensador y

de condensador y

evaporador.

evaporador.

evaporador.

o

Utiliza Turbina.

o

Su eficiencia solo depende

o

de

las

temperaturas

de

o

Utiliza válvula de

o

Utiliza válvula de

expansión o tubo

expansión o tubo

capilar.

capilar.

En el estado 1, el

cesión y absorción

refrigerante

de calor.

encuentra

o

se

El

refrigerante

llega al compresor

como

ligeramente

vapor saturado. o

Proceso isotérmico

sobrecalentado.

Es completamente reversible.

o

En el ciclo ideal el

o

En la realidad, los

 proceso

de

efectos

compresión

es

fricción

adiabático isentrópica.

e

de

que

incrementa entropía

la

la y

la

transferencia

de

calor,

pueden

aumentar

o

disminuir

la

entropía dependiendo de la

dirección (enfriamiento

o

calentamiento).

o

El ciclo ideal es o

El

ciclo

real,

 perfecto y no se experimenta consideran  pérdidas tanto de  pérdidas

de  presión como de

 presión

ni

de calor por medio

calor. de los conductos.

Finalmente lo que causa las diferencias entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, radican fundamentalmente en que, aunque los procesos isotérmicos en el condensador y el evaporador pueden ser realizados en dispositivos reales, los  procesos de compresión y expansión se realizarían con el refrigerante mostrando dos fases, por lo que se requerirían equipos muy especiales y de alto costo para manejar esta situación, ello debido a la irreversibilidad en los procesos de compresión y expansión con fluidos bifásicos. A ello se le suma la alta concentración de líquido que dañaría las máquinas máqu inas compresor y turbina,



Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de refrigeración  para uso industrial, compare sus componentes, desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuáles criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante.

Respuesta:

I.

Equipos

de

aire

II.

 productos

acondicionado automotriz.

Componentes

Cámara frigorífica para conservación de perecibles.



Compresor de aire.



Cilindro de nitrógeno.



Condensador



Válvula de escape de sobre presión.



Presostato.



Conductos.



Filtro deshidratante.



Distribuidor.



Válvula de expansión.



Ventilador.



Evaporador.



Termostato.



Conductos.



Válvula solenoide conducto de nitrógeno.

Desempeño

Tipo

de R134a

Nitrógeno líquido.

refrigerante

Para ambos casos, los criterios más importantes que se toman en cuenta hoy por hoy para el desarrollo o implementación de un sistema de refrigeración en cualquier sector industrial, es el cuidado del medio ambiente, es por ello que en para el caso del sistema de aire acondicionado automotriz, se ha reemplazado el antiguo refrigerante freón R-12 por su destructivo efecto dañino sobre la capa de Ozono y su contribución al efecto invernadero, por el revolucionario R134a.

Por su parte los sistemas que utilizan nitrógeno toman como criterio principal que debido a que El aire que hay en la atmósfera está compuesto de un 78% de nitrógeno y es la fuente de origen del nitrógeno que se utiliza para la refrigeración. No es tóxico, por lo que se puede liberar en la atmósfera sin miedo a que dañe el medio ambiente.

 Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1.000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determine °C. Determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento

de 400 kW . Respuesta: Datos: T1vapor saturado = 4° h1 = 252.77 kJ/kg s1= 0.92927kJ/kg×K P2 = 1000kPa = 1Mpa S2= S1 h2 = 275.29 kJ/kg  P 3líquido 3líquido saturado = 1000kPa h3 = 107.32 kJ/kg h4 ≅  h   h 3  3 =   = 107.32kJ/kg Modelo matemático y procedimiento de solución en base a lo estudiado. 400

 



Q̇ L s  ̇  L  h4)   =(  =2.75kg/s ̇  (h1 –  h ̇ = h −h  L =  252.77−107.32) 252.77−107.32 )kJ/kg 



̇ Entrada =   h1) = (2.75kg/s) (275.29 –  252.77)kJ/kg  252.77)kJ/kg = 61.93kW ̇  (h2 –  h

COP  R =

 ̇ L  ̇ entrada W

=

400kW

 = 6.46

61.39kW

El COP de este sistema es 6.46, mientras que la potencia requerida para proporcionar una carga de enfriamiento de 400kW es 61.93 kW.

Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 MPa y -5 °C a un flujo másico de 0,7 kg/s, y sale a 1,2 MPa y 70 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 44 °C y 1,15 MPa, y se estrangula a 0,2 MPa. Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine: a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor.  b. La eficiencia isentrópica del compresor c. El COP del refrigerador. Respuesta: Suposiciones: a) Condiciones de operación estacionarias.  b) Los cambios de energía cinética y potencial son despreciables en los diferentes  procesos.

En el diagrama T-s, se muestran los datos de l problema planteado. a) La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado (carga de refrigeración) se calcula a partir de las entalpías h1 y h4 (empleando la primera ley al proceso 1-4).

 ̇ (h1 – h4) Ecuación 1  ̇  =  La entalpía h1 la obtenemos de la tabla del refrigerante 134a sobrecalentado (tabla A-13, recursos adicionales) con P1 = 200kPa y T1 = -5°C, por interpolación. 253.05+244.54 = 497.59/2= 248.80kJ/kg h1 = 248.80kJ/kg

Ya sabemos que la entalpía h4 es aproximadamente igual a la entalpía h3, esto debido a que el  proceso de expansión 3-4 en la válvula suponemos que es isoentálpico.

Por tanto h3  se obtiene de la tabla del refrigerante 134a saturado (A-11), con la presión P3 = 1150kPa 1150kPa,, y T3 = 44°C, ello asumiendo que el punto 3, está muy próximo a la línea de líquido saturado (Tsat.=44.56°C). h4≈ h3 =h f =115.16kJ/kg

Reemplazamos estos valores en la ecuación 1 y obtenemos:

 ̇ (h1 – h4) =( 0.7kg/s) [(248.80 –  115,16)kJ/kg]  115,16)kJ/kg] = 93,55kW  ̇  =  La potencia de entrada al compresor W entrada entrada, la calculamos con las entalpías h2 y h 1, esto por la aplicación de la segunda ley de termodinámica al proceso de compresión.

 ̇ 

 ̇ ( 2− 1) =

De la tabla de refrigerante 134a sobrecalentado, obtenemos la entalpía h2 con p2 = 1.2 MPa 1.2  MPa y T2 = 70°C. H2 = 300.61kJ/kg

 ̇ 

= =( 0.7kg/s) [(300.61 –  248.80)kJ/kg]  248.80)kJ/kg] = 41,448kW

 b) La eficiencia isentrópica se calcula a partir de su definición: =

ℎ ℎ

La entalpía isentrópica la obtenemos de tablas, tomando en cuenta claro que para el proceso ideal de compresión s2s =s1  y por lo tanto esta última entropía, la podemos obtener de igual manera que obtuvimos la entalpía h1. S1 =0.9539kJ   =0.9539kJ /kg×K  Con s2 = s1 y p2 = 1.2 MPa 1.2 MPa de la tabla A-13, obtenemos por interpolación. 0,9267

278,27

0,9539

287,18

0,9614

289,64

h2s = 287.18 kJ/kg Por lo tanto nuestra eficiencia será: 287.18−248.80 ƞ =  = 300,61−248.80

0,7408 ƞ ≈ 74.1%

Por último el COP  del  del refrigerador, al igual se calcula a partir pa rtir de su definición:  ̇ b  ̇  

COP  R =

=

93.55

 = 2.26

41.448

Bibliografía Contenidos adicionales semana 6, tablas termodinámicas, ejercicios resueltos. Fuente: AC/ sistema de aire acondicionado.

https://www.google.cl/search?q=aire+acondicionado

Fuente: https://www.diaridetarragona.com/economia/

http://www.carrier.es/news/Refrig-1.htm

IACC (2018). Ciclos de refrigeración. refrigeración. Termodinámica. Semana 6.