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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA NÚCLEO CARABOBO- SEDE NAGUANAGUA INGENIERÍA PETROQUÍMICA

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRENSIÓN DE VAPOR

Tutor:

Autores:

Prof. Elba Rondón

Creslyn Mirena CI: 24.574.414 Edgar Abad CI: 24.104.282 V Semestre D02 Naguanagua, Mayo 2016

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INTRODUCCION La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc, hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde y Windhausen la de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, etc. Un capítulo aparte merece Carré, propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de eyección. Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la evolución industrial a que obliga el continuo alza de la vida. La refrigeración tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc. Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social. Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, donde el 2

refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otros ciclos de refrigeración conocidos son los ciclos de refrigeración de gas en la que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorción de amoniaco donde existe mezcla de amoniaco y agua en algunos procesos en el ciclo.

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DESARROLLO

I.

Ciclo de refrigeración por compresión del vapor

El trabajo mecánico para el ciclo de compresión del vapor acciona un compresor, que mantiene baja presión en un evaporador y una presión más alta en un condensador. La temperatura a la cual se evapora un líquido (o se condensa un vapor) depende de la presión; así pues, si se hace trabajar la máquina con un fluido adecuado, éste se evaporará a una baja temperatura en el evaporador de baja presión (tomando calor de su entorno) y se condensará a una temperatura más alta en el condensador de alta presión (desprendiendo calor a su entorno). El líquido de alta presión formado en el condensador precisa devolverse al evaporador con un gasto controlado. El ciclo simple de refrigeración por compresión del vapor tiene por tanto cuatro componentes: 

Un evaporador donde se absorbe el calor a una baja temperatura al evaporarse (hervir) un líquido a baja presión.



Un compresor que utiliza una energía mecánica para aumentar la presión del vapor.



Un condensador donde se condensa el vapor de alta presión, desprendiendo calor a sus proximidades.



Un dispositivo reductor de presión del líquido de retorno al evaporador, y que además controla el caudal.

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El ciclo de refrigeración es muy interesante desde el punto de vista termodinámico. Es una de las pocas plantas prácticas cuyo funcionamiento se basa en un verdadero ciclo termodinámico e incluye lo siguiente: 

Ebullición nucleada y condensación pelicular.



Procesos

de

flujo

estacionario

(estrangulación,

compresión

e

intercambio de calor) 

Control de caudal



Las propiedades termodinámicas (presión, volumen específico, temperatura, entalpía específica, y entropía específica) de una sustancia pura, así como todas las condiciones entre vapor sobrecalentado y líquido subenfriado.

Los sistemas de refrigeración, son propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos o más focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones. Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí conforme su método de inyección de refrigerante y configuración constructiva, ambos condicionados por sus parámetros de diseño. De esta manera, y haciendo un adecuado balance de masas y energías, es posible encontrar la solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica.

II.

Descripción de la máquina de refrigeración por compresión de vapor

Los sistemas de aire acondicionado, como las máquinas térmicas, son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con

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mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: Un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. El refrigerante entra al compresor como un vapor y se comprime a la presión del condensador. Sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa conforme fluye por el serpentín del condensador liberando calor hacia el medio circundante. Luego entra a un tubo capilar donde su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido al efecto de estrangulación. El refrigerante de baja temperatura entra luego al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.

Figura 1.1 Máquina de refrigeración por compresión de vapor.

III.

Funcionamiento

de

los

refrigeración

6

dispositivos

del

sistema

de

El evaporador, es un cilindro vertical de vidrio con placas extremas metálicas, un serpentín helicoidal de tubo de cobre conduce el agua a través del refrigerante contenido en el cilindro. El compresor, mantiene una baja presión en el evaporador y esto causa la ebullición del refrigerante a baja temperatura, extrayendo el calor del agua y reduciendo su temperatura. El vapor de baja presión formado en el compresor se introduce en el compresor, donde aumenta su presión y pasa al condensador. El compresor es de tipo diafragma y está directamente acoplado a un motor eléctrico. El condensador, es también un cilindro vertical de vidrio a través del cual circula el agua de refrigeración por un serpentín de tubo metálico. El vapor de alta presión procedente del compresor se condensa al transferir su calor latente al agua de enfriamiento, la cual se calienta. El líquido saturado de alta presión se recoge en el fondo del condensador, y su nivel controla una válvula de expansión actuada por flotador. Válvula de expansión, esta válvula llega a su posición de equilibrio y descarga el líquido refrigerante de vuelta al evaporador a la misma tasa con que se forma. Al pasar el líquido refrigerante caliente de alta presión por el asiento de la válvula, se reduce su presión hasta la presión que existe en el evaporador, descendiendo su temperatura hasta la temperatura de saturación a la presión del evaporador. La reducción de temperatura va acompañada de la formación de vapor húmedo, que se puede ver a través de la mirilla de vidrio. Al entrar en el evaporador, el vapor y el líquido se separan, pasando el líquido al "tanque" para volver a evaporarse, mientras que el vapor se mezcla con el otro vapor que aspira el compresor.

La instrumentación correspondiente nos permite medir: la temperatura y presión del refrigerante en el condensador y evaporador, la temperatura del agua a la entrada y salida de los serpentines en el evaporador y en el 7

condensador, y los caudales de agua en los dos serpentines. A la salida del condensador se ha instalado una válvula de corte que puede cerrarse para demostrar el "bombeo" al condensador. En la base del evaporador está situada la válvula de carga y descarga de refrigerante. En la placa superior del condensador

está

instalada

una

válvula

de

seguridad

para

evitar

sobrepresiones en su interior y para evacuar el aire que pudiera contener el sistema. Esto se logra al operar una máquina frigorífica con un ciclo de compresión de vapor. En la Figura 1 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal.

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Figura 1.2 Esquema de la maquinaria y los diagramas Ts y Ph de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

IV.

Condiciones Termodinámicas de la sustancia de trabajo del ciclo de refrigeración por compresión

4-1 (Evaporador): Se absorbe calor desde una región fría TL, de forma isotérmica (T4 =T1), para que la transferencia de calor sea altamente efectiva es necesario que la Temperatura de saturación del Refrigerante sea menor que la temperatura de la región fría, es decir T1 S4, al igual que la entalpía (h1> h4), mientras que las presiones permanecen constantes proceso isobárico (P1 = P4). 1-2 (Compresor): Se comprime vapor saturado del refrigerante, disminuye el volumen y aumenta su presión (P2 > P1) y por ende su temperatura (T2 > T1), obteniendo finalmente vapor sobrecalentado, en un

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proceso isoentrópico (S1 = S2), mientras que la entalpía de salida es mayor que la entalpía de entrada al mismo (h2 > h1). 2-3 (Condensador): Se transfiere calor reversible a la región caliente TH, a través de un proceso isobárico (P2 = P3), donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor sobrecalentado a líquido saturado), se puede observar que la T2 > T3 y que la entropía S2 > S3 al igual que la entalpía h2 > h3. 3-4 (Válvula de estrangulamiento o de expansión): Se expande el refrigerante isoentálpicamente (h3 = h4) hasta alcanzar bajas temperaturas (T4 < T3) al disminuir la presión (P4 < P3), mientras que la entropía aumenta (S4 < S3). Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por: q + w = h salida – h entrada. La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada así: Ộevap= m (h1 - h4) En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está dado por: COP Ref = Ộevap = h1 - h4 WComp

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h2 - h1

V.

Aplicaciones del ciclo de refrigeración por compresión de vapor en la industria



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.



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



Motores de combustión interna: 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 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.

Máquinas que aplican la refrigeración por compresión:  Equipos de refrigeración  Aire acondicionado o acondicionador de aire

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 Refrigerador, nevera o frigorífico  Enfriador de agua  Tanque de leche  Cámara de refrigeración  Fábrica de hielo  Aire acondicionado automotor No importa si se trata de un sistema de refrigeración comercial, industrial o doméstico, si se quiere sacar el mejor provecho de él, el aire debe circular libremente alrededor de su contenido. Una de las cosas que siempre hay que tener clara es que una distribución desordenada de productos no le da al contenido la temperatura uniforme que éste requiere y hace que el sistema tenga que forzarse de más. Por esta razón se debe dejar espacio entre el contenido de un sistema de conservación en frío y las paredes, techos y pisos de éste. La mayoría de estos equipos de refrigeración son usados para el almacenamiento de alimentos perecibles y por ello es vital que siempre estén funcionando, ya que una interrupción del fluido de energía haría que el contenido sea víctima de las bacterias de la descomposición, las cuales pueden reactivarse con una leve alza en la temperatura. Por esta razón siempre se debe contar con sistemas de generación de energía de respaldo. Los sistemas de refrigeración son aparatos muy resistentes en realidad. De hecho, algunos de ellos han sido diseñados para ser transportados o para ser localizados en exteriores. No obstante, si se quiere que dichos sistemas y su contenido siempre estén bien hay que tener ciertos cuidados. De esta manera, se podrá contar con mercancías de altísima calidad y con aparatos que durarán por muchos años y sin falla alguna.

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Ejercicios resueltos 1. En un ciclo de refrigeración por compresión de un vapor que opera con tetrafluoroetano (refrigerante R–134a) se sabe que este último entra en el compresor a –20 [°C], 2.3 [bar] y h = 321 [kJ/kg], sale a 14 [bar] y h = 372 [kJ/kg]. Sabiendo que entra a la válvula de expansión con una entalpia específica de 120 [kJ/kg], determine: a) Los calores referidos a la unidad de masa en el evaporador y en el condensador-enfriador. b) La potencia del compresor si el gasto másico fue 15 [kg/s]. c) El coeficiente de operación del ciclo.

a) Sistema: refrigerante R–134a. qevap = h1 – h4 = (321 – 120) [kJ/kg] qevap = 201 [kJ/kg] qcond = h3 – h2 = (120 – 372) [kJ/kg] qcond = – 252 [kJ/kg] b) W = W.t Wcomp = wcomp.m

w=

𝑊

W = w.m

𝑚

por otra parte: qciclo + wciclo = 0

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qevap + qcond + wcomp = 0

wcomp= - qevap - qcond

wcomp= – (201 [kJ/kg] ) – ( – 252 [kJ/kg] ) = 51 [kJ/kg] Wcomp= (51 000 [J/kg]) (30 [kg/s]) Wcomp= 153 000 [W] c)  =

𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎 𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 ℎ𝑎𝑦 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑟

=

𝑞 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑤 𝑐𝑜𝑚𝑝

=

201𝐾𝐽/𝐾𝑔 51 𝐾𝐽/𝐾𝑔

 = 3.941

2. Un refrigerador funciona con 18 moles de un gas ideal monoatómico, realizando ciclos de 2 s. Las temperaturas de los focos son 450 K y 150 K y consume una potencia de 60 kW. a) Calcula el calor intercambiado en cada etapa y la relación entre los volúmenes en la compresión isoterma. b) Calcula la variación de entropía del gas en cada transformación y en el ciclo. Calcula la variación de entropía del Universo. c) Sabiendo que después de la expansión isoterma el volumen del gas es V3 = 0.5 m3, calcula la presión y el volumen después de la compresión adiabática. P= 60kW P=

𝑊 𝑡

Ɛ𝑐 =

𝑄2 𝑊

t=2s

n=18

W = Pt =-120*103 J trabajo consumido

= 0.5

Q2= calor absorbido en 2-3

Q2= 6 ∗ 104 J W = Q1 + Q2

Q1= calor cedido en 4-1

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Q1= -120*103 - 6 ∗ 104 J= -18∗ 104 J Q1= nRT1Ln

𝑉1

𝑉1

𝑉4

𝑉4

= 0.07

S12= S14 = 0 S23=

S41=

𝑄2

=

𝑡2 𝑄1

=

𝑡1

𝑡2

S fococaliente =

6∗104

=

150

= 400 J/K

−18 ∗104

=

−𝑄2

S focofrio =

adiabáticas reversibles

450

S ciclo = 0 Función de estado

= - 400 J/K

= - 400 J/K

𝑄1 𝑡1

= 400 J/K

S universo = Sciclo + S fococaliente + S focofrio = 0 2º principio ciclo reversible

V3 = 0.5 𝑚3

Compresion adiabática (3-4)

𝑇3 𝑉3

𝑌−1

ϒ= 1.67 (monoatómico)

T3=T2 = 150K

= 𝑇1 𝑉4

𝑌−1

T4=T1= 450K 𝑇3 𝑉3 𝑌−1

𝑉4 = (

Gas ideal pV= nRT

𝑃4

=

𝑛𝑅𝑇1 𝑉4

= 6.9 ∗ 105 Pa

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𝑇1

)

1 𝑌−1

= 0.097 𝑚3

CONCLUSIONES El ciclo estudiado es muy usado en cuartos frigoríficos, puesto que es un método relativamente simple. Se tiene un refrigerante al que se le somete una alta presión y se le envía a un tanque receptor, por medio de una red de tubos, atravesando un filtro que elimina la humedad. La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. La refrigeración mecánica se usa para remover calor de un medio más frío y expulsarlo a un medio más cálido usando las propiedades de calor latente del refrigerante. El sistema de refrigeración debe proporcionar una temperatura de refrigerante inferior a la temperatura del medio que se va a enfriar y elevar la temperatura del refrigerante a un nivel superior a la temperatura del medio que se utiliza para la expulsión. Los elementos básicos que se requieren para la refrigeración mecánica son: el compresor, el evaporador, el condensador, y la válvula de expansión termostática. Este ciclo termodinámico difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes son: La fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los 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.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Edwuard G. Pita (1991). Principios y sistemas de refrigeración. Editorial Limusa S.A.

Dossat, Roy J. (2001). Principios de Refrigeración. Editorial CECSA.

Yunus A. Cengel & Michael A. Boles Termodinámica: Tomo I, 2da Edición.

Electrónicas:

Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Extraído de: https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-i-ciclos-derefrigeracic3b3n-por-compresic3b3n-de-vapor

Esquema

termodinámicos

del

ciclo

refrigeración.

Extraído

de:

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm

Wikipedia la enciclopedia libre. Refrigeración por comprensión. Extraído de:https://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3

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