Sistemas De Refrigeración Termodinámica

1. Tema: ▪ 2.

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Objetivos: 2.1. General: ▪ Investigar sobre los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. 2.2. Específico: ▪ Explicar las técnicas que apliquen el principio de regeneración para mejorar el desempeño de sistemas de refrigeración por compresión de vapor. ▪ Desarrollar un breve ensayo sobre las nuevas técnicas de regeneración para mejor los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. ▪ Rediseñar un refrigerador remplazando el refrigerante R-12 por 134a de acuerdo a las condicione propuestas en el ejerció de ensayo de la investigación. ▪ Analizar los resultados del COP del refrigerador con R-12 y el con refrigerante con 134ª. ▪ Determinar los cambios de presión y eficiencia térmica en un sistema de refrigeración con el uso de dos refrigerantes diferentes.

3. Introducción. Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración de un espacio o un equipo, lo cual obtiene mediante la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen la refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otros ciclos de refrigeración conocidos son los ciclos de refrigeración de gas en la que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorción de amoniaco donde existe mezcla de amoniaco y agua en algunos procesos en el ciclo. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el más simple y el más utilizado debido a que es el más adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeración. Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor ordinarios son simples, económicos, confiables y libres de mantenimientos. [1] Pero para grandes aplicaciones industriales, la eficiencia es lo más importante; por estas razones existen algunas modificaciones en ciclos simples de refrigeración por compresión de vapor, para que estos brinden una buena eficiencia en algunas aplicaciones, en las cuales el ciclo simple de refrigeración es inadecuado y necesita modificarse. A continuación, se explicará estas modificaciones y un ensayo en que se analizará que podría suceder al rediseñar un refrigerador remplazando el R-12 por le refrigerante 134a, ya que este no destruye la capa de ozono. [3]

Termodinámica II 4. Marco Teórico. 4.1. Refrigeración por compresión de vapor La refrigeración por vapor se realiza en circuito cerrado dividido en dos zonas: alta y baja presión en el cual se hace circular forzadamente un refrigerante, el cual tiene la misión de absorber el calor del ambiente, en el evaporador en la zona de baja presión y cederlo a la de alta presión, en el condensador, para mejorar el desempeño de este proceso existen diferentes principios. 4.1.1. Principios de regeneración para mejorar el desempeño de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son: 4.1.1.1. Sistemas de refrigeración en cascada Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas (<-50C). Este sistema está teniendo buena acogida en la actualidad, al ser necesario en aplicaciones de baja temperatura utilizando R744 (CO2) como refrigerante en varios sistemas. Las distintas fabricas e industrias utilizan los sistemas en cascada para lograr mayor eficiencia y rendimiento en sistemas de baja temperatura. [1] El ciclo en cascada es un conjunto de ciclos de compresión de vapor simple en serie, de manera que el condensador de un ciclo de temperatura inferior, proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor. El refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión dando una mejor eficiencia al sistema. Un sistema en cascada consta de dos sistemas independientes de una etapa, donde el sistema con temperatura de evaporación más baja utiliza un intercambiador como condensador para rechazar el calor del mismo, utilizando el evaporador del sistema con temperatura de evaporación más alta; normalmente en estos sistemas se usan refrigerantes diferentes y su aplicación es mayormente para aplicaciones de baja temperatura.

Figura 1: Esquema de sistema de refrigeración en Cascada

Termodinámica II

Figura 2: Diagrama Temperatura – Entropía De Refrigeración En Cascada

a) Ecuaciones 𝑚𝐴̇ (ℎ5 − ℎ8 ) = 𝑚𝐵̇ (ℎ2 − ℎ3 ) →

𝑚𝐴̇ ℎ2 − ℎ3 = 𝑚̇𝐵 ℎ5 − ℎ8

Y COPR,cascada =

𝑄𝐿̇ 𝑊̇neto,entrada

=

𝑚𝐵̇ (ℎ1 − ℎ4) 𝑚𝐴̇ (ℎ6 − ℎ5 ) + 𝑚𝐵̇ (ℎ2 − ℎ1 )

4.1.1.2. Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas Este sistema puede verse como un sistema de refrigeración en cascada, en donde se sustituye el intercambiador entre las etapas por una cámara de mezcla o de evaporación que mejora la transferencia de calor, entre las dos etapas. [3] Los sistemas por compresión de múltiples estepas se utilizan en sistemas, donde se desea reducir el trabajo de entrada del compresor, se incluye la compresión multietapa con refrigeración intermedita en donde el sumidero de energía puede ser el mismo refrigerante, ya que en muchos puntos del ciclo, la temperatura del refrigerante es inferior a la temperatura del ambiente; por tanto, el intercambiador de calor que funciona como refrigerador intermedio, se convierte en un intercambiador regenerativo, ya que el calor se transfiere de forma interna en el sistema.[1] La fracción de vapor que se forma en la cámara de evaporación instantánea es la calidad X del fluido en el estado 6 del diagrama (Figura3), y es la fracción de flujo que pasa por la cámara de mezcla proveniente de la cámara de evaporación instantánea. La fracción de líquido formado es 1-x, que corresponde a la fracción del flujo total que pasa por el evaporador. [1]

Termodinámica II

Ilustración 3: Esquema y diagrama de refrigeración por compresión de múltiples etapas.

4.1.1.3. Sistema de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor Un refrigerador con un compresor simple puede proveer refrigeración a altas temperaturas mediante el estrangulamiento del refrigerante en etapas. Consiste en realizar la expansión del refrigerante en dos etapas, y en cada una utilizar el efecto frigorífico con distintos propósitos o para distintas temperaturas de refrigeración.

Figura 4: Esquema y diagrama T-s del sistema de refrigeración con un solo compresor.

4.1.1.4. Licuefacción de gases La licuefacción de gases tiene por fin reducir el espacio de almacenamiento y los costes de transporte, la producción de temperaturas extraordinariamente bajas para procesos especiales y la separación de mezclas gaseosas en sus componentes puros por destilación fraccionada de la mezcla liquida.[1] La licuefacción es el cambio de estado gaseoso a líquido, ocurre por la acción de la temperatura y el aumento de la presión, lo que diferencia a la licuación de la condensación, es decir una sustancia cambia de estado, únicamente por la disminución de la temperatura. [1]

Termodinámica II La licuefacción de los gases es un área muy importante dentro de la refrigeración, pues muchos procesos científicos, procesos de ingeniería a temperaturas criogénicas (temperaturas por debajo de -100ºC) y la producción industrial de muchos gases, depende de gases licuados, algunos ejemplos es la obtención de gases como Oxigeno, Nitrógeno, Helio, Hidrogeno, preparación de propulsores líquidos para cohetes, el estudio de materiales a bajas temperaturas y el estudio de la superconductividad. [3] Se utilizan varios ciclos algunos complejos y otros sencillos, con buenos resultados en la licuefacción de gases. A continuación, se podrá analizar el ciclo Linde-Hampson que se presenta de manera esquemática y en un diagrama T-s en la Figura 5.

Figura 5: Esquema y diagrama de licuefacción de gases.

El ciclo de refrigeración con gas se puede aplicar a las instalaciones de aire acondicionado, de aviones, en donde los problemas de espacio son muy importantes; en general, comprimen aire que primero se enfría disipando calor a la atmósfera exterior y que, posteriormente, se expande en una turbina; el aire fresco procedente de la turbina pasa directamente al interior del avión. [3]

Termodinámica II 5. Ejercicio de aplicación 11-153 Un refrigerador que usa R-12 como fluido de trabajo mantiene el espacio refrigerado a -15 °C en un en torno a 30 °C. Se le pide rediseñar este refrigerador reemplazando el R-12 por el refrigerante 134a, que no destruye la capa de ozono. ¿Qué cambios sugeriría en los niveles de presión en el nuevo sistema? ¿Cómo piensa que se comparará el COP del nuevo sistema con el COP del viejo sistema?

1. Datos Ciclo Ideal Refrigerante R-134a

Ciclo Ideal Refrigerante R-12

𝑃 = 164 𝐾𝑃𝑎

𝑃 = 182 𝐾𝑃𝑎

𝑇 = −15°𝐶 2. Determinar

𝑇 = −15°𝐶

Cambio de presión ∆P ; COPR 3. Suposición Condiciones de trabajo estable. Gas Ideal. Cp, Cv Cte. 4. Esquemas T= 30

T= -15

Figura 6 Funcionamiento de un refrigerador.

Termodinámica II

Refrigerante R12

0.0 06 3

200

T [°C]

150

0.0 21 0.0 38 0.0 7 0.1 1 3 0.2 4m 3/k g

R12

250

100

50 744.3 kPa

0 182.4 kPa 0.2

-50 0.0

0.4

0.2

0.6

0.8

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

s [kJ/kg-K] Figura 7 Diagrama T-s del ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor para refrigerante R-12.

Refrigerante R134a

T [°C]

150

0.7 2m 3/k g

0.0 02 1

200

0.0 15 0.0 39 0.1 0.2 7

R134a

250

100 50 770.6 kPa

0 164 kPa 0.2

-50 -100 -0.25

0.00

0.25

0.4

0.6

0.50

0.8

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

s [kJ/kg-K] Figura 8 Diagrama T-s del ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor para refrigerante R-134a.

Termodinámica II

5. Análisis a. Refrigerante R-134a Tabla 11 (libro Yunes A Cengel 7ma edición) Tabla 13 (libro Yunes A Cengel 7ma edición) T1=-15C X=1

P1=164kPa h1=241,5kJ/kg s1=0,9415kJ/(kg* k)

T3=30C X=0

P3=770,6kPa h3=93,58kJ/kg

T4=-15C h4=h3

X=0,294

P2=P3 s2=s1

T2=36,62C h2=273,6kJ/kg

Proceso 1-2 compresión s=cte.

wC = h2 − h1 wC = 273,6

kJ kJ − 241,5 kg kg

wC = 32,1

kJ kg

Proceso 4-1 Adición de calor q L = h1 − h4 q L = 241,5

kJ kJ − 93,58 kg kg

q L = 147 ,92

kJ kg

Eficiencia del refrigerante del refrigerante R134a. COPR = COPR =

qL wC

147,92 kJ kg 32,1kJ kg

COPR = 4,61

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b. Refrigerantes R-12 T1= -15C X=1

P1=182,4kPa h1=181kJ/kg s1=0,7051kJ/(kg* k)

T3=30C X=0

P3=744,3kPa h3=64,58kJ/kg s3=0,2399kJ/(kg*k)

T4= -15C

X=0,2663

P2=P3 s2=s1

T2=38,25C h2=205,7kJ/kg

h4=h3

s4=0,2542kJ/(kg k)

Proceso 1-2 compresión s=cte.

wC = h2 − h1 wC = 205,7

kJ kJ − 181 kg kg

wC = 24,7

kJ kg

Proceso 4-1 Adición de calor q L = h1 − h4 q L = 181

kJ kJ − 64,56 kg kg

q L = 116,44

kJ kg

Eficiencia del refrigerante del refrigerante R12 COPR = COPR =

qL wC

116,44 kJ kg 24,7 kJ kg

COPR = 4,74

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La diferencia que existe entre presiones máximas y mínimas de los dos refrigerantes es:

P max = P max( R134 a) − P max( R12)

P max = 770,6kPa − 744,3kPa P max = 26,3kPa P min = P min( R12) − P min( R134 a)

P min = 182,4kPa − 164 kPa P min = 18,4kPa ANÁLISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS Los datos obtenidos fueron

Tabla 1 Para para análisis de resultados.

R12

Pmax=744,3kPa COPR=4,74 Pmin=182,4kPa R134a Pmax=770,6kPa COPR=4,61 Pmin=164kPa ∆Pmax=26,3kPa ∆Pmin=18,4kPa 6. Resultados y discusión Con los resultados obtenido se puede notar que si existe una variación en el desempeño de refrigerador al cambiar de refrigerante pero se podría despreciar esa variación ya que no es muy grande y, si se puede utilizar el refrigerante R-134a para evitar la destrucción de la capa de ozono por los gases que el R12 emite. El COP de los refrigerante es que el refrigerante R-134a necesita mayor energía de entrada, para que posea las mismas condiciones que el R12, la variación que existe en ambos casos es pequeña, por ejemplo de unos 6% del R-134 a 7% del R-12, teniendo como resultado que el R-12 tiene un mayor desempeño. En cuanto las presiones disminuyeron significativamente, en cuanto al refrigerante R134a a la entrada del compresor que tuvo una presión de 164kPa al comparar con el R12 disminuyo con una presión de 18,4kPa, pero sucede lo contrario en la entrada del condensador lo que la presión se aumenta hasta un valor de 770,6kPa implicando una diferencia de 26,3kPa.

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7. Conclusiones •

Con las técnicas de regeneración para mejorar el desempeño de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se puede adaptar un sistema simple para ambientes de trabajo a temperaturas muy bajas con desempeño de trabajo eficaz.

•

El coeficiente de desempeño del refrigerador se afecta en un porcentaje mínimo al cambiar el refrigerante R-12 por el R-134a ya que el desempeño del R-12 es un poco mayor, pero a su vez es más contamínate que el R-134a y resultaría factible hacer el cambio del refrigerante.

•

El coeficiente de desempeño de un refrigerante R12 es mayor al refrigerante R134 por lo tanto el refrigerante R134 necesita mayor trabajo de entrada para lograr el desempeño que obtiene el refrigerante R12, lo que derivaría en un mayor consumo energético.

•

Los refrigerantes son los encargados de realizar el enfriamiento de los espacios mediante la transferencias de calor son de gran importancia tanto en el hogar como en la industria pero tienen un gran problema al ser compuesto de cloro bromo y carbono son muy perjudiciales para la capa de ozono y además contribuyen al sobrecalentamiento del planeta, es por esto que se ha recurrido a la creación de otros compuestos que usan en menor cantidad estos elementos o prescinden de ellos.

8. Bibliografía [1] Michael J. Moran-Howard N. Shapiro, “Fundamentos de termodinámica técnica”, segunda Edición. [2] Yunes A Çengel-Michael A. Boles,”Termodinámica”, Séptima Edición. [3] EcuaRed ‘’Refrigerantes” .(2016, Febrero, 27).[ En línea]. Disponible en: http://www.ecured.cu/index.php/Refrigerante#Refrigerante_401a [4] Makina Eta Motore, “Refrigeracion Termoelectrica” [En linea]. Disponible en: http://www.ehu.eus/mmtde/PELTIER.html