Tema 4. Máquinas Térmicas III


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1 Asignatura: Tema 4. Máquinas Térmicas III 1. Máquinas Frigoríficas 2. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor 3. Ciclo de refrigeración por absorción 4. Ciclo de refrigeración por compresión de gas Grado de Ingeniería de la Organización Industrial

2 Máquinas frigoríficas Fundamento Transporta calor desde un recinto a baja temperatura (foco frío) al medio ambiente (foco caliente) a más temperatura. Necesidad de realizar trabajo para invertir la tendencia natural (transporte calor desde foco caliente al frío) Transporte de calor mediante un fluido denominado refrigerante Dispositivos Refrigeradores: Mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja al extraer calor de él. La descarga de calor a una medio de alta temperatura es una parte necesaria d ela operación, no es el propósito. Bombas de Calor: Mantener un espacio calentado a alta temperatura. Salida deseada Efecto de enfriamiento Q R Entrada requerida Entrada de trabajo W Salida deseada Efecto de calentamiento Q R Entrada requerida Entrada de trabajo W L neto H neto Coeficiente de desempeño

3 Máquinas frigoríficas R Salida deseada Entrada requerida Efecto de enfriamiento Entrada de trabajo Q& W& L neto Clasificación Máquinas frigoríficas por compresión: Funcionan consumiendo energía mecánica. Es el inverso de una máquina térmica. Pueden utilizar como fluido refrigerante un vapor o un gas. Máquinas frigoríficas por absorción: Emplean dos fluidos, uno como absorbente del fluido refrigerante. Aplicaciones Procesos químicos a baja T (síntesis de amoníaco, separación de los componentes del aire, etc.) Fabricación y conservación de alimentos. Acondicionamiento de aire.

4 Ciclo Invertido de Carnot Refrigerador de Carnot 1-2 Absorción de calor isotérmica. Se realiza en un evaporador. El refrigerante absorbe calor (Q L ) a temperatura constante de una fuente de baja temperatura (T L ), evaporándose parcialmente. 2-3 Compresión isoentrópica. Se realiza en un compresor donde se aporta un trabajo al fluido (W entrada ), por lo que aumenta su presión y temperatura desde la temperatura inferior (T L ) a una temperatura superior (T H ). 3-4 Rechazo de calor isotérmico. El fluido cede calor (Q H ) al foco caliente sin cambio de T. Tiene lugar en el condensador. 4-1 Expansión isoentrópica. El fluido se expande en una turbina (disminuye su T y P) produciendo un trabajo (W salida ). El refrigerante cambia de un estado de vapor saturado a un estado de líquido saturado en el condensador durante el proceso 3-4.

5 Ciclo Invertido de Carnot Coeficiente de Operación ( ) ( ) q q + w w h h h entrada salida entrada salida entrada salida Carnot Efecto de refrigerante QL Q& L Trabajo neto W W W& W& T C T C T L T T TF H C Carnot TF ( s1 s2) T ( s s ) T ( s s ) C 1 4 F 3 2 s1 s4 s3 s2 Carnot T ( s s ) TF ( T T )( s s ) ( T T ) F 1 2 C F 1 4 C F Carnot 1 1 T / T MÁXIMO TEÓRICO F C El coeficiente de operación aumenta cuando la diferencia entre ambas temperaturas disminuye.

6 Ciclo Invertido de Carnot Dificultades de aplicación del ciclo de Carnot Es difícil detener la evaporación: Se suele obtener mezcla líquido-vapor que puede averiar el compresor (2-3). Requiere un compresor que opere con dos fases. Vaporización total del refrigerante en el evaporador para que la compresión sea de una mezcla seca. Expansión de un líquido (etapa 4-1): Se produce muy poco trabajo. Alto contenido de humedad. Sustitución la turbina por una válvula de expansión Aparentemente, los problemas indicados se resolverían operando con un el ciclo invertido de Carnot fuera de la región de saturación. En este caso, resultaría imposible mantener las condiciones isotérmicas para los procesos de intercambio de calor.

7 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor Refrigeradores Sistemas de acondicionamiento de aire Bombas de calor 1-2 Compresión isoentrópica del refrigerante en un compresor. El refrigerante entra como vapor saturado y se comprime hasta la presión del condensador. La temperatura aumenta hasta un valor superior a la del medio circundante. 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador. Condensación y enfriamiento del refrigerante. El fluido entra como vapor sobrecalentado y sale como líquido saturado. 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión. Expansión isoentálpica en la válvula. El líquido saturado se hace pasar por una válvula o tubo capilar hasta estrangularlo a la presión del evaporador. La temperatura del refrigerante disminuye hasta un valor inferior a la del espacio refrigerado. 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador. Evaporación del refrigerante a presión constante. Entra como vapor húmedo de baja calidad y al absorber calor sale como vapor saturado.

8 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor Refrigerador doméstico común

9 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor El de un refrigerador mejora entre 2 y 4 % por cada C que eleva la temperatura de evaporación o que disminuye la temperatura de condensación. ( ) ( ) q q + w w h h h entrada salida entrada salida entrada salida R q h h w h h L 1 4 neto, entrada 2 1 Refrigerantes más comunes: derivados halogenados de hidrocarburos (CFCs, HCFCs, etc.) La selección del refrigerante se realiza en base a su relación temperatura-presión de saturación en el rango de aplicación. En general, es conveniente no trabajar con presiones excesivamente bajas en el evaporador ni excesivamente altas en el condensador. Deben ser estables, no tóxicos, ni inflamables, ni corrosivos

10 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor Problema (Ejemplo 11-1) 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 b) la entrada de potencia al compresor. c) la tasa de rechazo de calor al ambiente d) el del refrigerador.

11 Problema (Ejemplo 11-1)

12 Problema (Ejemplo 11-1)

13 El ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Ideal Irreversibilidades y Pérdidas Fricción del fluido (pérdidas de carga) Transferencias de calor con los alrededores Real El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado. El proceso de compresión (1-2) es isoentrópico. El refrigerante sale del condensador como líquido saturado. Sobrecalentamos el refrigerante y aseguramos su total evaporación. Reducción de la línea de conexión entre Evaporador y Compresor. El proceso de compresión (1-2 ) requiere menor entrada de trabajo. Subenfriamiento del refrigerante y aseguramos su total condensación.

14 El ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Real η C h2 S h 2 h h 1 1 h 2 S h 1 R Q& W& L neto

15 Modificaciones al ciclo de refrigeración por compresión de vapor Dificultades de aplicación del ciclo ideal de refrigeración Algunas aplicaciones industriales requieren temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que involucran es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre desempeño en un compresor reciprocante. Ciclos de refrigeración por etapas. Ciclos de refrigeración en cascada.

16 Sistema innovadores de refrigeración por compresión de vapor Ciclos de refrigeración en cascada de dos etapas Ambos ciclos de se conectan mediante un intercambiador de calor aislado térmicamente. A q& q& A, entrada B, salida ( ) & ( ) m& h h m h h 5 8 B 2 3 R, cascada w& q& L neto, entrada R, cascada A m& B ( h1 h4 ) ( ) + & ( ) m& h h m h h 6 5 B 2 1

17 Sistema innovadores de refrigeración por compresión de vapor Ciclos de refrigeración por compresión de múltiples etapas Compresión en etapas múltiples con refrigeración intermedia En este caso, tras la etapa de condensación el refrigerante es expandido en una válvula a una p intermedia entre la del condensador y la del evaporador, obteniéndose una mezcla de líquido y vapor. La mezcla se introduce en una cámara flash que no es más que un separador de ambas fases. El vapor saturado resultante entra en el intercambiador de calor y enfría la corriente 2 procedente de la primera etapa de compresión. El líquido que sale del separador flash se expande en una segunda válvula hasta la presión del evaporador y se introduce en el mismo.

18 El ciclo de refrigeración por absorción Absorción de un refrigerante por un medio de transporte. Se comprime un líquido: Absorción del refrigerante vapor sobre un líquido. Compresión de un líquido (menor coste de compresión). Necesidad de un sistema de separación absorbenterefrigerante antes del condensador. Se requiere aporte de calor (coste energético) Refrigerante Amoníaco Agua Disolvente (absorbente) Agua Bromuro de litio

19 El ciclo de refrigeración de gas: Ciclo Brayton Invertido El refrigerante (aire) sigue el ciclo Brayton invertido El agente refrigerante NO cambia de estado durante el recorrido del ciclo. Se utilizan en sistemas donde se deben conseguir temperaturas muy bajas. R q ql w w w L neto, entrada compresor, entrada turbina, salida q h h L 1 4 w h h turbina, salida 3 4 w h h compresor, salida 2 1

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