Refrigeración yAire Acondicionado

Unidad 1.

Fundamentos de Refrigeración y el sistema por compresión de Vapor

Definición, importancia y aplicaciones de refrigeración.

La refrigeración, conocida comúnmente como un proceso de enfriamiento, sedefine correctamente como la remoción del calor de una sustancia para llevarlo omantenerla a una temperatura convenientemente baja, inferior a la temperaturadel ambiente.

Las aplicaciones en refrigeración se pueden simplificar es seis categoríasgenerales:

• Refrigeración Doméstica• Refrigeración Comercial• Refrigeración Industrial• Transporte Refrigerado• Aire Acondicionado para confort• Aire Acondicionado Industrial

La refrigeración doméstica tiene una finalidadrelativamente limitada, tratándoseprincipalmente de refrigeradores ycongeladores domésticos.

No obstante, debido a que el número deunidades en servicio es bastante grande, larefrigeración doméstica representa una parteimportante de la industria de la refrigeración.

Se utiliza en la preparación y conservación delos alimentos, fabricación de hielo y paraenfriar bebidas en el hogar.

Refrigeración Doméstica

La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y mantenimiento desistemas que se tienen en establecimientos comerciales, en hoteles e institucionesque se dedican a su almacenamiento, exhibición y venta.

Esta categoría comprende equipos autónomos, instalaciones de prestación adistancia y cámaras frías prefabricadas en los que se almacenan los productos.

Refrigeración Comercial

En general las aplicaciones industriales son mas grandes que las comerciales,aunque suelen confundirse en algunos casos. Se puede diferenciar en que su usoes específicamente de proceso y almacenamiento, por ejemplo plantas de hielo,plantas procesadoras y empacadoras de alimentos, cervecerías, industria deprocesamiento de lácteos, pistas de patinaje sobre hielo, plantas para lafabricación de hielo, refinerías de petróleo, plantas de la industria farmacéutica,etc.

Refrigeración Industrial

El transporte refrigerado se refriere a los sistemas utilizados en camiones,furgones, barcos y aviones.

Esta aplicación es la encargada de mantener la cadena de frío en los productosprocesados en la industria hasta su punto de comercialización y en algunoscasos hasta su consumidor final.

Transporte refrigerado

Transporte refrigerado

Como su nombre lo indica el Aire Acondicionado busca acondicionar o climatizar el aire endeterminado lugar o espacio. Por lo general esto involucra no únicamente el control detemperatura del espacio, sino también de la humedad y el movimiento del aire incluyéndose elfiltrado y la limpieza de éste.

La aplicación de acondicionamiento de aire es de dos tipos de acuerdo a sus propósitos, paraproducir confort o para uso industrial. El acondicionamiento para confort lo encontramostípicamente en casas, oficinas, establecimientos públicos, edificios, automóviles, buses y otros.

Aire acondicionado

Aunque su objetivo primordial no sea el confort humano, el acondicionamientoindustrial puede también favorecerlo. Este acondicionamiento lo encontramos ensalas con equipos electrónicos, laboratorios que requieren aire filtrado ytemperatura controlada, salas de cirugía, y en general procesos específicos dondese necesite controlar la operación o producción de elementos de calidad.

Aire acondicionado

Los métodos más antiguos para enfriar son la evaporación, como en el caso delbotijo (proceso adiabático); o la utilización del hielo o la nieve naturales. Para lapreparación de refrescos o agua fría, se bajaba nieve de las montañas cercanas (amenudo por las noches) que se guardaba en pozos de nieve y, en las casas, enarmarios aislados, que por esa razón se llamaban neveras.

Métodos de Refrigeración

También se aplicó desde muy temprano el método de refrigeración por agua sincambio de estado, en procesos fabriles o incluso para enfriar bebidas (poniendolos envases en un pozo o en el agua del río).

Métodos de Refrigeración

En resumen, dependiendo de los fines, la refrigeración puede hacerse de varios modos:

• Mediante un fluido que lleva el calor sin cambio de fase (por ejemplo, en un motor térmico, enel que emplean como refrigerantes aire o agua)

• Aprovechando el calor de cambio de fase (calor latente) de un fluido, y esto mediante dossistemas distintos:

• Evaporando un fluido (normalmente agua) y disipando el vapor en el ambiente exterior(ejemplo: botijo)

• Mediante la evaporación de un fluido en un circuito cerrado y posterior condensación, pormedio de una energía externa, para repetir el ciclo.

Métodos de Refrigeración

Otros métodos: como mediante una sustancia fría, antiguamente el hielo y hoyen día la criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como salcomún y hielo.

Métodos de refrigeración

El físico francés Sadi Carnot en los años 20 del sigo XIX, estudiando la máquina de vapor queWatt había creado en poco tiempo atrás en Inglaterra, desarrolló teorías que fueron la base de laTermodinámica y planteó las fórmulas de la máquina frigorífica. Posteriormente otros físicoshicieron ensayos de máquinas cada vez más perfeccionados y probando diferentes gases hastaque recién a fines del siglo XIX se construyeron los primeros frigoríficos. En 1928 se comenzócon la fabricación en masa de refrigeradoras domésticas y luego camiones, vagones de tren ybarcos frigoríficos.

Ciclo de Carnot y Ciclo invertido de Carnot

Ciclo de Carnot

El primer paso de A → B es una expansiónisotérmica, la cual requiere una inversión deenergía. En este caso, las paredes del pistónpermiten el ingreso de calor desde elreservorio caliente, lo cual calienta el gas y loeleva, generando cierta cantidad de trabajo.

El segundo paso de B → C es una expansiónadiabática, en este caso, las paredes del pistónvuelven a hacerse no conductoras, aun así elgas en el interior sigue siendo muy caliente ycontinúa empujando el émbolo (realiza algode trabajo extra), pero sin la adición deenergía se enfría paulatinamente.

El tercer paso C → D es una compresiónisotérmica, para lograrlo, el gas debe perderenergía. Para ello, las paredes del embolo sehacen conductoras de nuevo, exponiendo alsistema a un reservorio frio.

Ciclo de Carnot

El cuarto paso D → A, en esta etapa se producela compresión adiabática del gas con lo que seincrementan la temperatura y la presión hastaque regresan a las condiciones iniciales en A.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot inverso,establece que es posibletransferir calor de unaregión de baja temperatura auna región de baja, siemprey cuando se le agreguetrabajo al sistema.

Ciclo de Carnot y Ciclo invertido de Carnot

La eficiencia térmica de una máquina térmica se puede expresarcomo:

También es posible expresarla como:

Los dispositivos cíclicos de interés práctico como las máquinastérmicas, los refrigeradores y las bombas de calor operan entre unmedio de alta temperatura (o depósito) a temperatura TH y otro debaja temperatura (o depósito) a temperatura TL. Para uniformar eltratamiento de máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor,se definen estas dos cantidades:

QH magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico yel medio de alta temperatura a temperatura TH.

QL magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico yel medio de baja temperatura a temperatura TL

La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos delcoeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient ofperformance), el cual se denota mediante COPR. El objetivo de unrefrigerador es remover calor (QL) del espacio refrigerado. Paralograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo deWneto,entrada. Entonces, el COP de un refrigerador se puedeexpresar como:

Refrigeración por compresión de vapor

En los sistemas de refrigeración o climatización el calor es bombeado del interioral exterior del recinto. Los principios de funcionamiento de la refrigeración porcompresión de vapor en forma simplificada pueden dividirse en cuatrooperaciones:

• Evaporación

• Compresión

• Condensación

• Expansión

Ciclo De Compresión

Es el corazón de todo sistema de Aire Acondicionado, su función es la deabsorber el refrigerante que se encuentra a en estado de gas caliente a unatemperatura de 7.2°C y 68 PSIG de presión y comprimirlo hasta convertirlo engas sobre calentado a una temperatura de 54.4°C y 211 PSIG de presión.

Es un intercambiador de calor cuya función es la de transferir el calor delrefrigerante hacia un medio enfriante que puede ser el aire exterior o agua.En este proceso el refrigerante cede calor pasando de gas sobrecalentado (54.4 °Cy 211 PSIG) a liquido subenfriado (35 °C y 2 11 PSIG). El medio enfriante absorbecalor elevando su temperatura.

Ciclo De Condensación C

Su función es la de expandir el refrigerante pasando de liquido subenfriado(35°C y 211 PSIG) hasta liquido (1.7°C y 68 PSIG).

Ciclo De Expansión

Es un intercambiador de calor cuya función es la de transferir el calor del ambiente aenfriar hacia el refrigerante liquido.Durante este proceso el refrigerante absorbe calor y pasa de estado de liquido (1.7 °C y 68PSIG) hacia un estado de gas caliente (7.2 °C y 68 PSIG).El ambiente a enfriar cede calor y baja su temperatura (20 °C).

Ciclo De Evaporación

Refrigeración Por Compresión De Vapor

La climatización y la refrigeración desempeñan un papel importantísimo en el desarrollodel mundo moderno, por ejemplo:

• Los alimentos duran más tiempo cuando se mantienen a temperaturas bajas, ya que sehace más lento su envejecimiento y reduce la acción de microorganismos no deseados.En casos de congelación pueden alargar la vida de los alimentos por meses o años.

• La elaboración, el transporte y la conservación de los alimentos exige refrigeraciónpara poder abastecer la población mundial hasta en lugares de difícil acceso.

• El trabajo de precisión con máquinas y montajes no sería posible en gran parte delmundo haciendo que muchos productos de trabajo refinado del que disponemosactualmente fuese inferior o inexistente.

• La mayor parte de los plásticos actuales no podrían fabricarse.

• No se podrían construir las computadoras actuales.

• La mayoría de los edificios no podrían ocuparse durante el verano en muchas partes del mundo.

Refrigeración Por Compresión De Vapor

Refrigeración Por Compresión De Vapor

Refrigeración Por Compresión De Vapor

Refrigeración Por Compresión De Vapor

En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo, y opera en un ciclo ideal de

refrigeración por compresión de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo másico del refrigerante es

de 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado y la entrada de

potencia al compresor, b) la tasa de rechazo de calor al ambiente y c) el COP del refrigerador.

7.18 kW, 1.81 kW9.0 kW3.97

Refrigeración Por Compresión De Vapor

Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a comofluido de trabajo mantiene un condensador a 1.000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determineel COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga deenfriamiento de 400 kW.

6.46, 61.9 kW

Refrigeración Real Por Compresión De Vapor

Al compresor de un refrigerador entra refrigerante 134a como vapor sobrecalentado a 0.14 MPa y –10°C a una tasa de 0.05 kg/s, y sale a 0.8 MPa y 50 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 26 °Cy 0.72 MPa, y se estrangula a 0.15 MPa. Descarte toda posibilidad de transferencia de calor y caída depresión en las líneas de conexión entre los componentes, 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 yc) el coeficiente de desempeño del refrigerador. 7.93 kW

2.02 kW93.9 %3.93

Sistemas de Refrigeración en Cascada

Algunas aplicaciones industrialesrequieren temperaturasmoderadamente bajas, y el intervalo detemperatura que involucran esdemasiado grande para que un ciclosimple de refrigeración por compresiónde vapor resulte práctico.

Una manera de enfrentar esassituaciones consiste en efectuar elproceso de refrigeración por etapas, esdecir, tener dos o más ciclos derefrigeración que operan en serie. Talesprocesos se denominan ciclos derefrigeración en cascada.

Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites depresión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión devapor con refrigerante 134a como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclosuperior sucede en un intercambiador de calor adiabático de contraflujo donde ambos flujosentran aproximadamente a 0.32 MPa. (En la práctica, el fluido de trabajo del ciclo inferior estará auna presión y una temperatura más altas en el intercambiador de calor, para una transferencia decalor efectiva.) Si el flujo másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 kg/s, determine a) elflujo másico del refrigerante en el ciclo inferior, b) la tasa de remoción de calor del espaciorefrigerado y la entrada de potencia al compresor, así como c) el coeficiente de desempeño de esterefrigerador en cascada.

Sistemas de Refrigeración en Cascada

Un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas debe dar enfriamiento a -40 °C operando elcondensador de alta temperatura a 1.6 MPa. Cada etapa opera en el ciclo ideal de refrigeración porcompresión de vapor. El sistema superior de refrigeración por compresión de vapor (VCRS, por sus siglas eninglés) usa agua como fluido de trabajo, y opera su evaporador a 5 °C. El ciclo inferior usa refrigerante R-134a como fluido de trabajo y opera su condensador a 400 kPa. Este sistema produce un efecto deenfriamiento de 20 kJ/s. Determine los flujos másicos de R-134a y agua en sus ciclos respectivos, y el COPtotal de este sistema en cascada.

Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites de presión de 1.2 Mpa y 200 kPacon refrigerante 134a como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al superior tiene lugar en unintercambiador de calor adiabático a contracorriente en donde las presiones en los ciclos superior e inferior son 0.4 y 0.5 MPa,respectivamente. En ambos ciclos el refrigerante es un líquido saturado a la salida del condensador y un vapor saturado a laentrada del compresor, y la eficiencia isentrópica del compresor es de 80 por ciento. Si el flujo másico del refrigerante en elciclo inferior es de 0.15 kg/s, determine a) el flujo másico del refrigerante a través del ciclo superior, b) la tasade remoción del espacio refrigerado y c) el COP de este refrigerador.Respuestas: a) 0.212 kg/s, b) 25.7 kW, c) 2.68