Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 9. REFRIGERACIÓN
TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada Tema 9. RefrigeraciTema 9. Refrigeracióónn
TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: REFRIGERACIN: REFRIGERACIÓÓN EN LA INDUSTRIAN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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Introducción: Refrigeración en la industria
• Operación destinada a mantener la T de un sistema más baja que Tambiente
• <<Refrigeración a baja T>> , para distinguir de agua de refrigeración
• APLICACIONES:
• Op. Separación:
• rectificación a baja T, vacío …
• Cristalización (concent. de zumos, recic. neumáticos) y fusión selectiva
• Liofilización
• Licuación de gases (aire, gas natural, etileno) para transporte o producción
• Conservación de perecederos
• Acondicionamiento de aire
• PRODUCCIÓN DE FRÍO:
• Compresión→enfriamiento→expansión: ciclos de compresión
• Absorción en un líquido→compresión→desorción: ciclos de absorción
• Alto coste debido a la utilización de trabajo/electricidad como energía primaria
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Introducción
• REFRIGERADORES/BOMBAS DE CALOR
Dispositivos cíclicos que transfieren el calor de una región de baja temperatura a unade alta temperatura empleando como fluido de trabajo un refrigerante
El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una T bajay extraer el calor de él
El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a T alta
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESICICLOS DE COMPRESIÓÓN DE VAPORN DE VAPOR
•• IdealesIdeales
•• PrPráácticoscticos. . CCáálculolculo. . CoeficientesCoeficientes de de aprovechamientoaprovechamiento
•• RealesReales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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Ciclos de compresión de vapor: ideales
CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)
• Método predominante
• Principio: máquina de Carnot invertida
Cq&
Fq&
w&
T ↑
T ↓
Cq&
Fq&
w&
T ↑
T ↓
T
S
Cq&
Fq&
1
43
2
P
H
Cq&
Fq&
1
43
2
Cq&
Fq&
1
43
2
Turbina Compresor
Evaporador
Condensador
• Compresión y expansión isoentrópicas
• Condensación y evaporación isotérmicas
• Compresión y expansión en dos fases
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Ciclos de compresión de vapor: ideales
FC
C
CFeneto
CCarnotBC TT
T
TTw
qCOP−
=−
==1
1
,,
FC
F
FCeneto
FCarnotREF TT
TTTw
qCOP−
=−
==1/
1
,,
CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)
BOMBA DE CALOR REFRIGERADOR
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Ciclos de compresión de vapor: prácticos
CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)
ASPECTOS IMPRÁCTICOS ASOCIADOS AL CICLO DE CARNOT INVERTIDO
• Ciclo invertido de Carnot no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración
• Los procesos de TQ a T = cte no son díficiles de alcanzar en la práctica
• Compresión → mejor en una sola fase (admisión: vapor saturado)
• Expansión: puede hacerse en dos fases a través de una válvula (...) , pero ...
• No se recupera el trabajo (expansión isoentálpica, o de Joule-Thomson)
• El fluido se enfría menos para la misma ∆P
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Ciclos de compresión de vapor: prácticos
CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)
CICLO IDEAL DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• La turbina se sutituye por un dispositivo de estrangulamiento (válvula, tubo capilar) EXPANSIÓN ISOENTÁLPICA (irreversible)
• Evaporar el refrigerante por completo antes de quese comprima (1 fase)
• El enfriamiento-condensación es isobárico, no isotérmico. Evaporación a T y P ctes
P
H
1
43
2
,P T ↑
,P T ↓
1-2: Rechazo de calor a P = cte en el condensador hasta líquido saturado(T2>Tamb)
2-3: Expansión isoentálpica hasta obtener una mezcla L+V baja calidad a la Pevap (la T3 < Tespacio refrigerado)
3-4: Absorción a P = cte en un evaporador hasta obtener vapor saturado4-1: Compresión isoentrópica hasta vapor sobrecalentado a la Pcond = P1
T
S
1
2
3 4
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Ciclos de compresión de vapor: prácticos
CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)
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Ciclos de compresión de vapor: prácticos
CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)
• Equipo sencillo, barato y duradero
• Cálculos y propiedades: diagrama P-H →
wcomp=h1-h4 ; qc=h1-h2 ; qF=h4-h3 (/kg o molg)
• Eficacias → Coeficientes de aprovechamiento: alejamiento del ciclo ideal
( )
( )
4 3
1 4
1 2. .
1 4
. . . ,
. . . , 1
F F FREF
C F C F
C C CB C
C F C F
h hq q TC O P Carnotw q q h h T Tq q Th hC O P Carnotw q q h h T T
−= = = =
− − −
−= = = = >
− − −
& &
& & &
& &
& & &
P
H
1
43
2
qc: Área bajo la curva proceso 1-2
qF: Area bajo la curva en el proceso 3-4
Wneto: Área encerrada por el ciclo
Wneto ↓ (COP ↑) cuando Tevap ↑ o Tcond ↓
T
S
1
2
3 4
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Ciclos de compresión de vapor: reales
CICLOS REALES DE COMPRESIÓN
FUENTES DE IRREVERSIBILIDADES
• Caídas de presión (fricción del fluido)
• TQ desde o hacia los alrededores
1- Vapor entra al compresor ligeramentesobrecalentado
2- Proceso de compresión: los efectosfriccionantes aumentan la entropía (proceso 1-2) y la transferencia de calor puede aumentar o disminuir la entropía (1-2’): deseable proceso1-2’ menor requerimiento de trabajo
3- El refrigerante se subenfría ligeramente antes de entrar al evaporador
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTESREFRIGERANTES
•• SelecciSeleccióónn
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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Refrigerantes
• REFRIGERANTE: “El cuerpo que se emplea para absorber calor y retirarlo del sistema, ya sea en forma de calor latente (habitual) o calor sensible”
• REFRIGERANTES MÁS COMUNES (con TSAT a 1 atm):
• NH3 (-33ºC)
• Freones (CFC): R12 (CCl2F2,-29), R22 (CHClF2 ,-41), R114 (C2Cl2F4,+4), R134a (CF3CH2F,-30)
Los freones completamente halogenados destruyen la capa del ozono(efecto invernadero, calentamiento global); los no halogenadoscompletamente, menor capacidad de destrucción (R-134a, libre de cloro)
• Hidrocarburos: propano (-42ºC), etano, etileno
• CO2 (Tsub= -78ºC)
• Aire
• H2O (hielo, hielo con salmueras)
• Salmueras (problemas de corrosión sustituidos por anticongelantes: etilen-propilen-glicol, metanol, glicerina
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Selección de refrigerantes
• SEGURIDAD:
• Inertes, no explosivos, no tóxicos (NH3 prohibido en núcleos poblados)
• No contaminantes: CFC → Capa de ozono. → nuevos refrigerantes no (Cl y F)
• CRITERIOS TÉCNICOS:
• Entalpía de vaporización elevada
• Densidad del vapor reducida
• Capacidades caloríficas de líquido y vapor altas
• Relación de compresión favorable
• SELECCIÓN DE REFRIGERANTES:
• TEVAP (mínima) → PSAT (mínima) > 1 atm para evitar infiltraciones de aire
• Transferencia de calor razonable evaporador → ∆T mínima = 10ºC
• TCOND =TAMBIENTE+∆TCOND ; debe ser << que T crítica
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Propiedades de refrigerantes
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Propiedades de refrigerantes
APLICACIONES
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIPROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN
•• CascadasCascadas
•• RegeneraciRegeneracióónn ((economizadoreseconomizadores))
•• LicuefacciLicuefaccióónn de gasesde gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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• Aplicaciones industriales que requieren T moderadamente bajas (gran nivel de presión en el ciclo) ciclo en una etapa no práctico
• Dos o más ciclos de refrigeración queoperan en serie
• Dos etapas: intercambiador de calorconecta los dos ciclos: evaporador del ciclosuperior y condensador del ciclo inferior
• Mejoran el rendimiento (pero masinmovilizado): wcompresor disminuye y la capacidad de refrigeración aumenta
• Un solo refrigerante o distintos
• Permiten grandes variaciones de T (con distintos refrigerantes)
Procedimientos en sistemas de refrigeración: cascadas
CASCADAS
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Regeneración (economizadores)
• Sistemas multietapa: el intercambiador de calor entre lasetapas (cascada) se sustituye poruna CÁMARA DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA (cámara de mezclamejores características de TQ)
• Sistema de cascada con refrigeranteúnico y transmisión de calor directa(mezcla)
• Reducen el flujo en la zona de altapresión
• Compresión se asemeja a unacompresión en dos etapas con interenfriamiento (disminuye w)
• Proporcionan varios niveles de T
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Licuefacción de gases
• Área importante de la refrigeración PROCESOS CRIOGÉNICOS(T < -100ºC) dependen de gases licuados:
• Separación de O2 y N2 del aire
• Estudio de propiedades a bajas T
• GASES LICUADOS COMUNES: He, N2 e H2
(Tc,He = -268ºC; Tc,H2 = -240ºC y Tc,N2 =-147ºC (no existirán en forma líquida en condiciones atmosféricas)
• ¿Cómo reducir la T de estos gases por debajo de la Tc?
• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON
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Licuefacción de gases
• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON
2-3: Compresión multietapa con refrigeración intermedia
3-4: Primer enfriamiento
4-5: Segundo enfriamiento en el regenerador
5-6: Expansión en la válvula hasta mezcla L-V
7: Producto líquido deseado
8-9: Vapor se calienta en el regenerador
El gas 9 +gas de reposición 1 = gas 2 (inicia el ciclo)
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Licuefacción de gases
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACISISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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Sistemas de refrigeración
• Aplicaciones que requieren refrigeración a más de una T
• Disposiciones muy complejas, buscando la eficacia
• Unos pocos elementos básicos
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Sistemas de refrigeración: EJEMPLO
UNIDAD REFIGERADOR-CONGELADOR CON UN COMPRESOR
• Enviar todas las corrientes de salida de los evaporadores a un solo compresor
• El compresor realiza el trabajo de compresión
• Válvula de expansión a P más alta (T más alta) ESPACIO REFRIGERADO
• Válvula de expansión hasta Pmínima CONGELADOR
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACICICLOS DE REFRIGERACIÓÓN DE GASN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCIÓN
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Ciclos de refrigeración de gas
• Ciclo de BRAYTON INVERTIDO
1-2: Compresión isoentrópica
2-3: Enfriamiento a P = cte
3-4: Expansión isoentrópica
4-1: Calentamiento a P = cte
CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
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Ciclos de refrigeración de gas
• Incluyen componentes simples más ligeros (aviones)
• Pueden incorporar regeneración (licuefacción de gases)
CarnotCompresióninvBrayton
salturbecomp
L
eneto
LinvBrayton
COPCOPCOP
wwq
wqCOP
<<
−==
,
,,,,
CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CON REGENERACIÓN
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TEMA 9: REFRIGERACIÓN
• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA
• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR
• Ideales
• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento
• Reales
• REFRIGERANTES
• Selección
• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• Cascadas
• Regeneración (economizadores)
• Licuefacción de gases
• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS
• CICLOS DE ABSORCICICLOS DE ABSORCIÓÓNN
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Sistemas de refrigeración por absorción
• Forma de refrigeración económica cuando existe una fuente de energía térmica barata (100 a 200ºC) “aprovechamos calor de baja T para producir frío”
• Energía geotérmica
• Energía solar
• Calor desecho de cogeneración o planta de vapor de proceso
• Implica absorción de un refrigerante por un medio de transporte
• NH3 (ref)-Agua
• Agua (ref)-bromuro de Li; Agua (ref)-cloruro de Li
• Similar al ciclo de compresión de vapor COMPRESOR: Absorbedor + Bomba + Regenerador + Generador vapor + Rectificador y una válvula
• VENTAJAS
• Se comprime un líquido en vez de un vapor (wflujo ↓ suele ser despreciable)
• Trigeneración: calor; frío; energía eléctrica
• INCONVENIENTES
• Costosos, complejos, ocupan espacio
• Menos eficientes
• Requieren torres de enfriamiento más grandes para liberar qresidual
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Sistemas de refrigeración por absorción
Alta P
Baja P
Absorción + Reacción
Reacción exotérmica
Retirar q para disolver la mayor cantidad NH3 posible
Ds. Concentrada
NH3
Ds. Diluida
NH3
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO
Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 9. REFRIGERACIÓN
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