A Sistemas de Refrigeracion Trabajooo
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Sistemas de refrigeración 2015
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SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR
1. JUSTIFICACIÓN
El estudio del sistema de refrigeración tiene gran aplicación en la industria por tal
motivo es de suma importancia porque nos ayudara como funciona el sistema,
cuales son las características.
2. INTRODUCCIÓN
La refrigeración es mantener una sustancia o un cuerpo por debajo de la
temperatura ambiente, poniéndola en contacto de forma directa o indirecta con
otra que se encuentre por debajo de la temperatura a la que deseamos mantener
la sustancia.
En las primicias de los sistemas de refrigeración mecánica, los equipos para
producirla ocupaban grandes espacios, eran costosos, de alto consumo
energético, de baja eficiencia y necesitaban servicio técnico continuo por lo que su
aplicación se veía limitada solamente para industrias para las cuales la
refrigeración era imprescindible, tales como plantas productoras de hielo,
empacadoras de cárnicos, etc.
En la actualidad debido al avance tecnológico que ha desarrollado la humanidad,
la refrigeración ha sido beneficiada, convirtiéndose en sistemas más eficientes de
menor volumen y costo por lo que su campo de aplicación se ha extendido
considerablemente; a continuación describimos algunas de las más importantes:
Refrigeración comercial: abarca todo lo que concierne a instalaciones frigoríficas
para locales comerciales como hoteles, restaurantes, supermercados que se
dedican a la venta o almacenamiento de productos perecibles.
Refrigeración industrial: como su nombre lo indica estos sistemas de refrigeración
son utilizados en procesos de manufactura, se distinguen por ser de tamaño
considerable y requieren asistencia técnica permanente.
Conservación de alimentos: es la aplicación más importante que se le da a la
refrigeración, por el incremento de la población y su requerimiento de alimento. En
la mayoría de casos estos alimentos son producidos y procesados en zonas
alejadas de la ciudad, por lo que es necesario conservar las características de los
productos durante su traslado, distribución y venta.
Refrigeración doméstica: comprende lo referente a refrigeradores y congeladores
de baja potencia que varían entre 1/20 y 1/2 hp y son de tipo sellado hermético. Es
la aplicación de la refrigeración más conocida y representa un gran porcentaje de
la refrigeración industrial.
El presente capítulo describe la mecánica de los sistemas de refrigeración de uso
doméstico desde su principio de funcionamiento, ciclo termodinámico,
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características y propiedades que deben tener los fluidos refrigerantes para esta
aplicación.
3. OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Comprender el funcionamiento en un sistema de refrigeración por compresión de
vapor.
4. MARCO TEORICO
CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR DE CARNOT
Por carecer de irreversibilidades, teóricamente se pueden realizar de forma
reversible un conjunto de procesos termodinámicos que a partir del trabajo de
Carnot permiten extraer la misma cantidad de calor del foco frío que en el motor
térmico es cedido y devolver al foco caliente el calor que en el motor había sido
extraído. El conjunto de máquinas de fluidos que permiten invertir de forma
reversible el ciclo del motor térmico constituyen la máquina frigorífica de Carnot.
En la práctica siempre existen irreversibilidades y podremos decir que una
máquina frigorífica es un conjunto de máquinas de fluidos que permiten extraer
calor de un foco frío y ceder calor a un ciclo caliente consumiendo una cantidad
neta de trabajo.
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En el ciclo de compresión de vapor de Carnot se desarrollan procesos que extraen
y ceden el calor del exterior mediante cambios de fase del fluido refrigerante que
circula por el ciclo. Para que el mismo fluido cambie de fase a distintos niveles
térmicos es necesario que existan también distintos niveles de presión. Esto
se consigue comprimiendo y expandiendo el fluido.
El trabajo consumido por el ciclo de Carnot surge de la diferencia entre el calor
necesario para la compresión y el obtenido de la expansión.
Se distinguen la siguiente sucesión de procesos
termodinámicos reversibles:
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COMPRESOR: Una máquina generadora comprime el fluido de manera
isoentrópica consumiendo trabajo y consiguiendo pasar el fluido desde la presión
baja a la presión alta del ciclo. En el ciclo de Carnot el compresor trabaja en
régimen húmedo.
CONDESADOR: El fluido a alta presión es enfriado sin pérdida de presión contra
el foco caliente que se encuentra a la misma temperatura que el fluido de
refrigeración (TC). El calor cedido (Qc) provoca que el refrigerante pase de fase
vapor a fase líquida sin irreversibilidades mecánicas ni térmicas.
EXPANSOR: Una máquina motora expande isoentrópicamente el fluido
extrayendo trabajo y bajando el nivel de presión desde la presión alta a la presión
baja.
EVAPORADOR: El fluido refrigerante a baja presión es calentado desde el foco
frío de manera reversible (sin salto de temperatura con el foco frío (TF) y sin
pérdida de presión) absorbiendo del foco frío el calor del ciclo (Qe) para cambiar a
fase vapor.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Se define el ciclo ideal de compresión de vapor, como un ciclo de referencia
resultante obtenido a partir del ciclo de Carnot imponiendo unas condiciones
aunque ideales más realistas:
Existen saltos de temperatura entre el fluido que circula por el ciclo y las
temperaturas de los focos caliente y frío en el condensador y el
evaporador.
El proceso de compresión se realiza sobre vapor seco partiendo de las
condiciones de vapor saturado.
La expansión no se realiza en una turbina porque el poco trabajo obtenido
no compensa el coste y complejidad asociada a este elemento. La
expansión se desarrolla en una válvula de laminación adiabática y por tanto
es un proceso isoentálpico.
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En el ciclo de compresión de vapor real además:
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Hay pérdidas de presión en el condensador y el evaporador.
La entrada al compresor puede estar por encima de la temperatura de
vapor saturado. La salida del condensador puede estar por debajo de la
temperatura de líquido saturado
El proceso de compresión no es isoentrópico quedando caracterizado por
un rendimiento isoentrópico:
Transferencias de calor y trabajo (respecto fluido circulante en ciclo)
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Propiedades de los refrigerantes
Hasta el principio de los años 90 se utilizaban clorofluorocarbonos CFCs como el
R12. Desde entonces se utilizan HCFs como el R134a.
Para el cálculo se emplean las siguientes tablas para cada refrige:
Tablas de cambio de fase con las propiedades (u, h, s y v) en los puntos de
líquido y vapor saturado para una presión o temperatura dada.
Tablas de vapor sobrecalentado con las propiedades (u, h, s y v) para
pares P,T.
Es deseable no utilizar presiones demasiado bajas en el evaporador ni demasiado
altas en el condensador. Así las temperaturas requeridas en los focos caliente y
frío, TC y TF orientan la selección de los refrigerantes más apropiados para cada
aplicación.
Esta información se obtiene de las tablas o en otras ocasiones de diagramas p-h o
log (p)-h que son los más utilizados en el campo de la refrigeración.
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CICLOS MÁS EFICIENTES DE REFRIGERACION
CICLOS EN CASCADA.
La compresión múltiple en cascada permite, mediante dos circuitos de
refrigeración de una etapa "semi - independientes" y con distintos refrigerantes,
alcanzar temperaturas cercanas a los -80ºC. Propio en equipos de laboratorio para
almacenamiento de muestras biológicas.
La diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este
caso muy grande. En consecuencia, la variación de la temperatura de saturación
con respecto a la presión de vapor de un solo refrigerante no cumpliría con los
valores deseados par el evaporador y el condensador
Un ciclo en cascada es simplemente una disposición en serie de ciclos simples de
compresión de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura
baja entregue calor al evaporador de un ciclo a temperatura superior.
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MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO DE CICLO
En pocas palabras. El ciclo de refrigeración en cascada hace referencia a que si
se disminuye la temperatura de condensación a una presión determinada, más
adelante en el dispositivo de expansión se generara una caída de presión al igual
que su temperatura. Usando este principio, el ciclo de refrigeración en cascada
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usa un sistema frigorífico aparte para absorber el calor del condensador que ha
sido ganado el proceso de evaporación y en la compresión del vapor refrigerante
en su paso por el compresor.
Mediante ese sistema, el calor presente en el condensador es absorbido por el
evaporador de segundo sistema de refrigeración presente. Una solución fácil y
practica de cómo realizar este proceso es utilizando un intercambiador de calor
especialmente formulado para las capacidades frigoríficas respectivas a los
sistemas de enfriamiento involucrados. Este método es mucho más óptimo que la
extracción de calor por procesos convectivos, ya que el entorno de absorción en el
dispositivo condensativo es de menor temperatura que el aire que circula mediante
el.
BENEFICIOS
Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada
sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las
etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que
también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la
temperatura de descarga disminuye en comparación a un sistema de una sola
etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del
compresor.
MULTIETAPA REFRIGERACIÓN INTERMEDIA
La cámara flash separa vapor saturado (X) y líquido saturado (1-X). Al mezclarse
este vapor saturado con la salida del compresor 1 que está a la misma presión se
rebaja la temperatura alcanzándose una salida del compresor 2 a menos
temperatura que si solo se hubiera comprimido en una etapa hasta ese
nivel de presión (punto 4).
La presencia de dos válvulas de expansión con entrada en condiciones de
líquido saturado (punto 7) en la segunda hace que la entrada al evaporador (punto
8) sea con entropía más baja que si sólo hubiera existido una etapa. En
consecuencia se tiene una mayor capacidad específica de refrigeración.
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CICLO DE ABSORCIÓN
Además del refrigerante que es la sustancia que cambia de fase poseen otra
sustancia líquida llamado líquido absorbedor.
En relación al ciclo convencional, sustituyen el compresor por un conjunto de
elementos (absorbedor, bomba, generador y válvula) que permiten sustituir el
trabajo de compresión por un trabajo de bombeo casi 1000 veces menor. A
cambio es necesario aportar calor en el generador y extraerlo en el absorbedor.
Los elementos que aparecen son:
Absorbedor: Mediante una reacción exotérmica que debe ser refrigerada
permite que el refrigerante sea disuelto en el líquido absorbente.
Bomba: Bombea la solución diluida de refrigerante y líquido absorbente.
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Generador: Mediante aporte de calor consigue separar el refrigerante del
líquido absorbente en la zona de alta presión.
Válvula: Lleva la solución concentrada desde el generador al absorbedor.
CICLO DE REFRIGERACIÓN CON GAS (CICLO BRAYTON)
Es un ciclo cerrado de turbina de gas:
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ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN
Para graficar el ciclo de refrigeración del sistema en análisis, es necesario
conocer las temperaturas en los puntos indicados de la figura 1, además con estos
datos podemos calcular varios parámetros que nos permitirán conocer el COP del
sistema de refrigeración.
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Figura: 1 Puntos seleccionados para toma de temperatura.
La tabla 1 muestra la temperatura máxima y mínima, obtenida mediante
termocuplas en varios puntos del sistema de refrigeración, los datos son tomados
durante un día completo, figura 2
Tabla 1 Temperatura máxima y mínima en varios puntos del sistema.
Figura: 2 Temperaturas del sistema R134a
Las figura 3 muestra la variación de temperatura durante un día en el
evaporador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo T (-200 °C
hasta +350°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de trabajo del
equipo la temperatura se encuentra entre -14°C y -27°C, existen unos picos de 2°C
y 6°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el compresor está
apagado y se produce el descongelamiento del evaporador gracias a la resistencia
del sistema no frost.
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Figura: 3 Temperatura vs. Tiempo en el Evaporador con R134a.
Las figura 4 muestra la variación de temperatura durante un día en el
interior del congelador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo
J (0 °C hasta 760°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de
trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre -15°C y -17°C, existen unos
picos de -8°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el compresor
está apagado y se produce el descongelamiento del evaporador gracias a la
resistencia del sistema no frost.
Figura: 4 Temperatura vs. Tiempo en el Congelador con R134a.
Las figura 5 muestra la variación de temperatura durante un día en el
interior del refrigerador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo
J (0 °C hasta - 760°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de
trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 4°C y 6°C, a diferencia de las
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otras gráficas no se producen picos cuando ocurre el descongelamiento del
evaporador, por el contrario la temperatura permanece en ese intervalo.
Figura: 5 Temperatura vs Tiempo en el Refrigerador con R134a.
Las figura 6 muestra la variación de temperatura durante un día a la salida
del compresor; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo K (-
200°C hasta +1370°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de
trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 30°C y 55°C, existen unos
picos de 25°C y 60°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el
compresor está apagado y se produce el descongelamiento del evaporador
gracias a la resistencia del sistema no frost.
Figura: 6 Temperatura vs Tiempo salida del compresor con R134a.
Las figura 7 muestra la variación de temperatura durante un día en el
ingreso del compresor; podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de
trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 5°C y 30°C.
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Figura: 7 Temperatura vs Tiempo ingreso del compresor con R134a.
Las figura 8 muestra la variación de temperatura durante un día en la salida
del condensador; podemos observar que la temperatura se encuentra entre 20°C y
30°C, existen unos picos de 10°C.
Figura: 8 Temperatura vs Tiempo salida del condensador con R134a.
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5. CONCLUSIONES
En virtud de la información retenida y comprendida, se concluye que a medida de
que se va generando una mejora en el ciclo desde el punto de vista físico en la
disminución de calor en línea de alta presión, el fenómeno frigorífico tendrá a
mejorar considerablemente siempre y cuando las condiciones de funcionamiento y
diseño así lo permitan.
6. RECOMENDACIONES
Para profundizar el tema se recomienda el texto aplicados al sistema de
refrigeración como: DEUTSCHE GTZ. Buenas prácticas de refrigeración.
Eschborn, Alemania.
Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit, 2010. 181p.
7. BIBLIOGRAFIA
CENGEL, Yunus A. y Boles, Michael A. Termodinámica. 5ª edición.
México, McGraw Hill, 2002. 988p.
UNIVERSIDAD de Costa Rica. Eficiencia energética: El refrigerador. [en
<http://www2.eie.ucr.ac.cr/~jromero/sitio-TCU-
oficial/boletines/grupo04/numero-8/boletin8.html> [consulta: 13 octubre 2013].
Cuenca, S., No, D. E. R., Con, F., Cabrera, C., Fernando, B., Rodríguez, P., … Fernando, B. (2014). “Estudio termodinámico de un sistema de refrigeración no frost con R600a.”
http://www.monografias.com/trabajos-pdf5/aire-acondicionado-y-refrigeracion-
notas/aire-acondicionado-y-refrigeracion-notas.shtml#ixzz3e10EfyrM