UNNE-FI 1
MMááquinas de quinas de RefrigeraciRefrigeracióónn
ContenidosContenidos
Clase 1• Introducción• Ciclo con 2 fuentes• Ciclo reversible• Ciclo inverso de Carnot• Irreversibilidades
externas• Compresión en
régimen seco• Irreversibilidades
internas
Clase 2• Refrigerantes• Ciclos en cascada• Compresión multi-
etapa• Absorción• Sistemas con gas
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IntroducciIntroduccióónn
Aplicaciones:Aire acondicionadoConservación de alimentosLicuefacción de gasesProducción de hielo
Objetivo: Transferir calor desde una temperatura baja hacia otra más elevada, por ejemplo para mantener una región del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente.
Ciclo con dos fuentesCiclo con dos fuentes
ec TT >
Qe
QC
WC
TC
TE
Cec WQQ +=
ec
e
C
emf QQ
QWQCOP
−==
MF
1=− mfbc COPCOP
ec
c
C
cbc QQ
QWQCOP
−==
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Ciclo reversible con dos fuentesCiclo reversible con dos fuentes
0=∆+∆+∆=∆ mffffcu SSSS
ec
e
ec
emf TT
TQQ
QCOP−
=−
=
ec
c
ec
cbc TT
TQQ
QCOP−
=−
=
SSS fffc ∆=∆−=∆0=∆ mfS
c
cfc T
QS =∆e
eff T
QS −=∆
cc TSQ ⋅∆= ee TSQ ⋅∆=
Qe
QC
WC
TC
Te
MF
Ciclo inverso de CarnotCiclo inverso de Carnot
STQ ee ∆⋅=
Qe
Qc
WC
Tc
Te
STQ cc ∆⋅=
ec
e
ec
emf TT
TQQ
QCOP−
=−
=
MF
s
T∆S
ec
c
ec
cbc TT
TQQ
QCOP−
=−
=
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Ciclo de Carnot con vaporCiclo de Carnot con vapor
S
Turbina
Evaporador
Compresor
Condensador
Fuente caliente a Tc
Fuente fría a Te
WcWt
Qc
Qe
1
23
4
Te
Tc
Irreversibilidades en flujos de QIrreversibilidades en flujos de Q
• Diferencia finita de temperaturas
T`e
T`c
Turbina
Evaporador
Compresor
Condensador
Fuente caliente a Tc
Fuente fría a Te
WcWt
Qc
Qe
1
23
4
T`e
T`c
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CompresiCompresióón en rn en réégimen secogimen seco
Válvula deexpansión
Evaporador
Compresor
Condensador
Fuente caliente a Tc
Fuente fría a Te
Wc
Qc
Qe
1
23
4
Vaporsaturado 1
23
4
• Se desprecian la variación de energía cinética y potencial
• Balances de energía en los componentes
CompresiCompresióón en rn en réégimen secogimen seco
Wc
1
23
4
cwhq +∆=
• Se desprecian la variación de energía cinética y potencial
• Balances de energía en los componentes
41 hhqe −=
23 hhqc −=
12 hhwc −=
34 hh =
12
41hhhh
WQCOP
c
emf −
−==
41 hhQm e−
=&
&
( ) mhhWc && ⋅−= 12
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AnimaciAnimacióón de la instalacin de la instalacióónn
Irreversibilidad en el compresorIrreversibilidad en el compresor
• Fig. 10.4
12
12
hhhh s
is −−=η
real
idealis h
h∆∆
=η
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Proceso de expansiProceso de expansióónn
• Estrangulamiento adiabático: isoentálpico
P1,T1 (fijas)P2,T2 (var.)
P
T
2
22
2
h=cte
1
T de inversión
hj P
T⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=µ
Coeficiente de Joule Thomson
Diagrama pDiagrama p--hh• Frecuentemente utilizado en
refrigeración
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Bombas de calor por compresiBombas de calor por compresióónn• Objetivo: Calefacción• Componentes similares a refrigeración• Eficiencia superior a la unidad
Bombas de calor invertibleBombas de calor invertible
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RefrigerantesRefrigerantesCaracterísticas:• Pe>1Bar Pc<20Bar• Entalpía de vaporización alta• No toxico• Estable químicamente• No corrosivo• Bajo Coste• No inflamable Fluidos:
• Amoniaco, NH3• Agua• Clorofluorocarbonados (CFC)• R-11, R-12, R-22• Hidrofluorocarbonados (HFC)• R-134a, R-410a
Ciclos en cascadaCiclos en cascada• Diferentes refrigerantes en
cada ciclo• Relaciones presión –
temperatura de los refrigerante adecuadas.
• Temperaturas de -25 a -75ºC
cBcA
ef WW
QE+
=
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CompresiCompresióón n multietapamultietapa
• Menor consumo de energía en el compresor.
• Refrigeración intermedia mediante un intercambiador de mezcla.
• Reducción de irreversibilidad externa en el condensador
CompresiCompresióón n multietapamultietapa
• 5 y 7 líquido saturado• 1 y 9 vapor saturado• h5=h6 y h7=h8
• Trabajo mínimo =>Pi=(Pc.Pe)0,5
• Título de 6:x.(h9-h7)=h6-h7
• Bal. Energía CMx.h9+(1-x).h2=h3
x kg
(1-x) kg
1kg
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Doble evaporador y doble compresorDoble evaporador y doble compresor
• -
Wc1
Wc2
Q1b
Q1a
Q2
1
5
43
29
8
7 6
10
11
4
3
2
1
9
7
8
6
5
1011
mb
ma
ma+mb
Doble evaporador y doble compresorDoble evaporador y doble compresor
• -Wc1
Wc2
Q1b
Q1a
Q2
1
5
43
29
8
7 6
10
11
mb
ma
ma+mb
( )( )
( ) ( )( ) 423
45
12
938
110
21
11
hmbmahmbhmahhmbmaWc
hhmbWchmbhmahmbmaaQ
hmbhmbbQ
⋅+=⋅+⋅−⋅+=
−⋅=⋅+⋅=⋅++
⋅=⋅+
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Ciclo con tres fuentesCiclo con tres fuentes
0
2
QQE f =
0
11 ```Q
QQEc+= T1
Q``1
MF
Q2
WC
T2
Q’1
Q0WC
T0
MT
Ciclo reversible con tres fuentesCiclo reversible con tres fuentes
0
10
21
2
TTT
TTTE f
−⋅−
=
T1
T2
110221 )()(|| STTSTTWC ∆⋅−=∆⋅−=
10
22
0
2
.
.STST
QQE f ∆
∆==MF
Q2
Q``1
WC
s
T∆S1
Q`1
Q0
WCT0
∆S2
)()(
21
10
1
2
TTTT
SS
−−
=∆∆
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RefrigeraciRefrigeracióón por absorcin por absorcióónn
• Menor consumo de trabajo en la bomba.
• Permiten utilizar energías alternativas o calor residual.
• Refrigeración NH3/H2O • Aire acondicionado
H2O/BrLi
AbsorciAbsorcióón: NHn: NH33/H/H22OO
• Intercambiador de calor para precalentar la solución.
• Rectificador: evita la formación de hielo en valvula y evaporador.
• Tg=100ºC• Tc=45ºC• Te=-8ºC
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Sistemas con gas: Sistemas con gas: CycloCyclo BraytonBrayton• No existe cambio
de fase.• Aplicaciones:
bajas temperaturas
• (-150ºC) y aviación.
CycloCyclo BraytonBrayton• Intercambiador de calor regenerativo.• Se obtienen temperaturas menores.
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CycloCyclo BraytonBrayton para aviacipara aviacióónn• Tamaño y peso reducido.• Se necesitan menos
intercambiadores de calor.
Problema 4Problema 4
UNNE-FI 16
Problema 4Problema 4--bb
BibliografBibliografííaa
• Termodinámica Tecnica, C. A. Garcia, 1987, Ed. Alsina.
• Fundamentos de Termodinámica Técnica, M.J. Moran y H.N. Shapiro,1996, Ed. Reverté
• Termodinámica, K. Wark, D.E.Richards,2001, Ed. McGraw - HILL
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Ciclos de motores a gasCiclos de motores a gas
• Ciclos: Regenerativos, Otto, Diesel y Brayton.
• Teoría: Termodinámica Técnica de GarciaC. pag 101 a 103 y pag. 265 a 282.
• Problemas: Problemas de Termodinámica Técnica de Garcia C. pag. 301 a 308.
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