Aire Acondicionado - Curso de Refrigeracion(1)

7/30/2019 Aire Acondicionado - Curso de Refrigeracion(1)

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BOMBAS DE CALOR

El OBJETIVO PRINCIPAL ESPROPORCIONAR CALOR A

UN FOCO CALIENTE.


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Curso de Refrigeracin - IIMPI -FING - 2004

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Un poco de historia Kelvin en 1852 introduce el concepto.

EN 1927 Electrolux introduce en el mercado

la primer Bomba de Calor ( Escocia) EN 19501955 cae la imagen de la

bomba de calor por el uso inadecuado.

En 1976 se reinicia, con YORK que producela primer Bomba de calor , controlada por PC


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Bomba de calor funcionando en modo

enfriamiento

1

4

23

1

43

2


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4

Flujo y estado del refrigerante en modo

enfriamiento


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5


calentamiento

1

4

23

4

12

3


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6


calentamiento


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EQUIPOS UNITARIOS

Se pueden clasificar en: Residenciales (hasta65000 Btu/h (5.4 TR), generalmentemonofsicas), Comercial Liviano (hasta 135000Btu/h (11.3 TR), generalmente trifsicas),Comercial Pesado (mas de 135000 Btu/h).

Split: Se dice del equipo cuando viene divididoen varias unidades (por ejemplo interior yexterior).


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BOMBA DE CALOR UNITARIA

Cubren un rango aproximado de 1.5 a 30 TR.

La cantidad de energa en forma de calor que sepuede obtener vara de 2 a 4 veces la consumida.

En el caso de aire acondicionado, para un mejorconfort, antes que sobredimensionar la bomba, esmejor alguna fuente complementaria de calor obombas de capacidad variable (incluyendo

compresores movidos por motores de combustininterna, etc).


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BOMBA DE CALOR APLICADAS

BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES Se trata de recuperar parte del calor

generado en un proceso (y que normalmentesera desperdiciado), para verterlo en algunaparte del proceso o acondicionar algnambiente.

Es mucho mas difundido el uso de bombasde calor para acondicionamiento trmico quepara uso industrial.


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Eleccion de las fuentes de calor

Lugar geogrfico Disponibilidad de recursos naturales

Costos operativos Recuperacin de calor de procesos Ejemplos fuentes : aire

aguatierraenerga solar


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AIRE (caractersticas)

Barato , limpio.

Acondicionamiento interior en edificios. Poco poder de intercambio Aplicaciones en Piscinas (deshumidificar) DESVENTAJA: EQUILIBRIO Tev y Tamb

Cal/hr

T ext

Perdidaambiente

CapacidadRerfg.

Pto

equilibrio


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AGUA (caractersticas)

Gran poder de intercambio. Utilizacin de agua subterrnea como fuente.

(Temp. cte) Agua de efluentes. Precauciones: tratamiento, filtracin y

contaminacin, corrosin. Colocacin intercambiadores en lagos, ros etc.

(evitar hacer pozos) Costos de extraccin Aguas de alcantarillado ( Temp. sup.)


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Agua -Aire friCalor


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Tierra (caractersticas)

Utilizacin como Fuente de Calorsumergida.( tubos enterrados)

Puntos a tener en cuenta: efectividad Corrosin, humedad, composicin,

difusividad. Liquido anticongelante

Temperatura mas estable que otrasfuentes


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COPc= Tf / (TcTf )

Factor de Func.= Tc / (TcTf )=

(TcTf+Tf)/ (TcTf )=1 + COPcFactor funcionamiento mayor que uno

COP Vs. Factor de funcionamiento

W

TEMP.

Entropia

Tc

Tf

Factor deFuncionamiento(NH3)

-10C 10C Temp Exterior

3

6


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Aire como foco caliente

Utilizando aire

como foco caliente

se tiene un

intervalo de

funcionamientoms amplio

El factor que influye

es la temperatura

exterior

Se ve que la

capacidad delcompresor

disminuye a bajas

temperaturas de

evaporacin


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18


enfriamiento


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19


enfriamiento


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20


calentamiento


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21


calentamiento


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Equipos unitarios, componentes

El flujo de refrigerante est controlado por placaorificio, tubo capilar, o vlvula termosttica.

El tubo capilar es menos costoso pero puedeprovocar que el evaporador trabaje sobre o sub-alimentado para diferentes temperaturas decondensacin. Esto puede ocasionar un

funcionamiento con un rendimiento inferior alptimo. Esto se evita con la vlvula termosttica.


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Componentes-ejemplo

Vlvula termosttica

de expansin

P1= P2 + P3

P1 es la presin del

elemento termosttico

P2 es la presin en el

evaporador

P3 presin del resorteequivalente al

sobrecalientamiento


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Modelado de la vlvula termosttica

q = flujo de calor

C constante del diseo de lavlvula proporcional

densidad del lquidoentrante

diferencia de presinen la vlvula

hf entalpa del lquido

entrante hg entalpa del gas saliente

2/1... phhCq fg

p


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Una vlvula termosttica opera con sobrecalientamiento y obedece a

cambios en el sobrecalientamiento. Los valores estndar van de 4 a

8F.Dependiendo del diseo, tamao y aplicacin

La capacidad a plena carga de las mismas es de 10

40% del valornominal como reserva. Es el tramo BC en la curva gradiente

Una vlvula termosttica convencional no regulara el flujo

convenientemente en ambas direcciones. Debido a eso se emplean 2

vlvulas para las bombas de calor, una para cada condicin de

operacin

A un tubo capilar no le afecta la direccin del flujo, pero por la

diferencia de presiones evita que por el compresor pase la cantidad

de refrigerante necesaria

Vlvula termosttica de expansin


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La figura muestra un evaporador funcionando con R22 a una temp. desaturacin de 40F (68.5psi)

Punto A mezcla

saturada de lquido y

vapor 40F (68.5psi)

Punto B vapor saturado

40F (68.5psi)

Punto C vapor

sobrecalentado 50F y

68.5 psi(sobrecalentamiento

10F)


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El grfico de la izquierda muestra el gradiente tpico de unavlvula de expansin termosttica

El grfico de la derecha muestra la relacin entre presin ytemperatura en el elemento termosttico


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Vlvula inversora de 4 vas

A la lnea simple siempre vienela descarga del compresor quees derivada al condensador

La lnea del medio siempreva a la succin delcompresor


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Funcionamiento del barril


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30

Funcionamiento del barril


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Vlvula inversora comandada por vlvula solenoide


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El acumulador operaevitando que elcompresor succionelquido

Tambin retiene elaceite contenido en elrefrigerante (podraacumular todo elaceite del compresor,

falla)Un orificio en la base hace quepor efecto Ventu rilos

vapores arrastren el aceite al

compresor donde pertenece


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EJEMPLO CHILLER / BOMBADE CALOR AGUA-AGUA

Marca ADDISON, modelo WWR 048 de 4 TR(en lnea WWR disponible de 3 a 35 TR).

Funcin: Su funcin es calentar o enfriar agua a partir de una

fuente que intercambia con agua. Del lado de la fuente puede haber una torre de

enfriamiento, un intercambiador geotrmico, etc

Del lado de la carga pueden existir muchasaplicaciones como ser fan coils, radiant coils, calentaragua de piscinas o spas, una aplicacin de proceso,etc


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EJEMPLO CHILLER / BOMBADE CALOR AGUA-AGUA

Dimensiones: Altura = 53 cm Largo = 71 cm

Ancho = 71 cm


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CIRCUITO DE REFRIGERACIN


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DATOS DEL FABRICANTE

Fluido refrigerante R-22 Compresor Scroll Modo CALOR:

Datos basados en Te (carga) = 100F (38C), Te(fuente) = 70F (21C), caudales de agua iguales a 12gpm (2.73 m3/h).

Capacidad = 57546 Btu/h (16.865 kW)

Compresor:Psuccin = 80 psig (658 kPa)Pdescarga = 280 psig (2040 kPa)Pot. entregada = 3473 W


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DATOS DEL FABRICANTE

Modo CALOR: Pot. elctrica = 4092 W (RLA = 18.6 A (208-230 V / 1

fase / 60 Hz))

Modo FRO: Datos basados en Te (carga) = 55F (13C), Te(fuente) = 85F (29C), caudales de agua iguales a 12gpm (2.73 m3/h).

Capacidad = 39470 Btu/h (11.567 kW) Compresor:

Psuccin = 65 psig (550 kPa)Pdescarga = 230 psig (1690 kPa)

Pot. Entregada = 2741 W


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CICLO DE REFRIGERACIN

Para construir el ciclo de refrigeracincorrespondientes a las condiciones de

funcionamiento anteriormente mencionadas sesupone razonablemente un sobrecalentamiento de6C y un subenfriamiento de 5C (debido a que nose poseen datos al respecto).

El orgen de Entalpas y Entropas respectivamentees de 200 Kj/Kg y 1.0 Kj/(Kg.K) para lquido saturadoa 0C.


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MODO CALOR DIAGRAMA deMOLLIER (o PH)


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40

MODO CALOR DIAGRAMA TS


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MODO CALOR CLCULOS

CTCT

CTCT

QTcm

COPPotQCOP

COP

hh

hh

segkg

mQhhm

m

kWQWQQ

Q

fue ntefue nte

acac

agua

se

se

aguapagua

elctentr

isis

is

refrrecrefr

refr

reccompentrrec

rec

1721

4338

:aguaelconIntercamb.

4.12

:Perform.deCoef.

%5.72

:CompresinIsentrp.Rend.

0870.0)(

:Refrig.MsicoFlujo

392.13

:RecibidoCalor

argarg

12

12

41


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MODO FRO DIAGRAMA deMOLLIER (o PH)


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MODO FRO DIAGRAMA TS


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MODO FRO CLCULOS

CTCT

CTCT

QTcm

COPPotQCOP

WPotfroW

froPot

calorPot

calorW

COP

hh

hh

segkg

mQhhmm

kWQWQQQ

fuent efuente

acac

agua

se

se

aguapagua

elct

abs

elctcomp

compelct

compelct

compcomp

isisis

refrrecrefrrefr

entrcompabsentrentr

3429

913

:aguaelconIntercamb.

58.3

3229)(

)(

%9.84)(

)(

calor.modoenposeequealigualcompresordelorendimientunsuponemosEntonces

fromodoencompresorelporconsumidaelctricaPotencialasobredatosposeenseNo

:

%9.57:

0714.0)(:

308.14:

argarg

12

12

41


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COMENTARIOS

En general en este tipo de equipo el COPoscila entre 2 y 3. En nuestro casoobtuvimos valores de 3.58 para modo fro y

4.12 para modo calor. En este sentido valeacotar que tenemos un compresor Scroll(alto rendimiento volumtrico) y este permitegeneralmente obtener COPs mas altos.

En modo calor el COP es mas alto que enmodo fro. Esto es bastante lgico ya adiferencia del modo fro, en modo calor seaprovecha el calor aportado por el

compresor.


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BOMBAS DE CALORINDUSTRIALES (Aplicadas)

Recuperar calor generado en algunaparte de un proceso.

Menos difundido que el uso de bombasde calor para acondicionamiento de aire,a pesar de poseer en general COPs masaltos.


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TIPOS DE BOMBAS DE CALORINDUSTRIALES

Las mas importantes son:

Ciclo de compresin cerrado motor

elctrico (ECCC) Ciclo de compresin cerrado motor diesel

(DCCC)

Recompresin mecnica de vapor (MVR)


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CICLO CERRADO


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CICLO DE COMPRESINCERRADO (ambos motores)

Formas de aumentar el COP:

1. Subenfriamiento: 1% cada 2 C de subenf

2. Uso de economisador o tanque flash intermedio.

Los compresores pueden ser reciprocantes (hasta500 kW de calor bombeado), de tornillo (hasta 5MW) y turbocompresores (mas de 2 MW).

Los gases refrigerantes tpicos, aunque en desuso

por razones ambientales, son el R-12, el R-22 y elR-114.


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CICLO CERRADO CON MOTORELCTRICO

Rendimiento de Motor alrededor de 90%. COPs tpicos 4 6. COPs no varan mucho de un refrigerante a otro pero la capacidad si. COPs aumentan levemente desde los compresores reciprocantes, pasando

por los de tornillo, hasta los turbocompresores (COPs mayores).


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CICLO CERRADO CON MOTORDIESEL

El ciclo en s posee COP bajo. Se intentarecuperar el calor del agua de enfriamientodel motor y de los gases de escape. COPtpico de 2.

El rendimiento mecnico tpico de losmotores Diesel que se usan para bombas de

calor es de 40%.


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RECOMPRESIN MECNICA DEVAPOR Consiste en comprimir gases residuales (aumentando la T),

para luego poder extraerle el calor.

En general se trabaja con vapor de agua (la fuente).


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RECOMPRESIN MECNICA DEVAPOR

Se utilizan bsicamente 2 tipos de compresores:1. Turbocompresores:

Los mas usados son radiales.

Caudales altos y medios. Relacin de compresin alrededor de 2. Rendimiento isentrpicos de 0.7 - 0.8. Con separador de lquido.

2. Compresores de Tornillo:

Caudales normalmente menores. Relacin de compresin de 2 a 6. Rendimiento isentrpicos de 0.7-0.9. No necesitan de separador de lquido.


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FACTORES ECONMICOS(ALGUNAS OBSERVACIONES)

Si las condiciones permiten su uso, las MVR son las bombasque poseen perodos de retorno a la inversin menores.

El perodo de retorno a la inversin de las ECCC dependefuertemente del COP y el costo de la energa elctrica. Engeneral para valores de COP=6 deberan ser rentables.


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LAS BOMBAS INDUSTRIALES ENEL MUNDO

Datos en base a 8 pases del primer mundo.


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Bombas de calor geotrmicas

Ventajas:

Temperaturas de fuente o sumidero establesdurante el ao.

No requieren descongelado en el evaporador enmodo heat

Por debajo de 1C las bombasenfriadas por aire necesitancalefaccin suplementaria

Mejora en eficiencia

Menor costo de

mantenimiento que otrostipos de sumidero

Larga vida til

Menos ruidosos que equipos con torres o condensadores evaporativos.


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Tipos de

intercambiadores

geotrmicos


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Cuadro comparativoTubos

horizontalesTubos en espiral Loop vertical

Profundidad1,2 a 3 m 1,2 a 3 m 20 a 90 m

Espaciamiento 2 a 4 m 4 m > 5 m

Capacidad de

intercambio

100-400 ft por TR 500-1000 ft por TR 200-600 ft por TR

Ventajas-Relativo bajo costo deperforacin

-Menos superficie que loshorizontales-A veces los costos sonmenores

-Menos longitud decaera-Menos potencia debombeo-Temperatura ms estable-Menos rea en planta

Desventajas

-Superficie en planta-Temperatura sujeta avariaciones

-Mayor longitud que losverticales-Adicin deanticongelantes

-Ms caera-Temperatura sujeta a

variaciones-Ms potencia de bombeo-Dificultad para el llenado

-Necesita equipo deperforacin-Mayores costos deperforacin


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Tubos sumergidos Sistema abiertoExpansin

directa

Profundidad1,8 a 2,4 m

50 cm sobre el lecho Depende de lascondiciones locales

2.7 a 3.7 m (vertical)

1.5 a 3 m (horizontal)

Espaciamiento 3000 ft2 por TR N/A

Capacidad de

intercambio300 ft por TR 1.5 a 3 gpm por TR

100-150 ft2/TR (v)450-550 ft2/TR (h)

Ventajas

-Puede ser el de menor

largo de tubos.-Puede ser de bajo costodependiendo dedisponibilidad de agua

-Diseo simple-Menor perforacin-Mejor rendimientotermodinmico-Menores costos

-Mejor eficiencia del

sistema-No requiere bombeo

Desventajas

- Requiere gran cantidadde agua- Restringe el uso del lago

-Sujeto a regulaciones-Disponibilidad de agua (reinyeccin)-Fouling, material ensuspensin, corrosin

-Costo inicial-Tubos sujetos acongelamiento-Retorno de aceite-Ms carga refrigerante-Peligro de fugas

Variacin con el clima anual


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Temperaturadel suelo

Impacto en laeficiencia

Determina eltamao del GHE

Variacin con el clima anual

Variacin con la profundidad


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Conductividaddel suelo


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Consideraciones econmicas

Coeficiente de performance

Factible cuando elcosto de energaelctrica es aprox 3.5

veces menor que elprecio de combustiblepor BTU

Costos demantenimiento


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Normas aplicables

Technology Application Reference Standard Category (capacity)

Rating Condition

(enter water temperature)

Minimum Performance

as of 10/29/2001

Cooling Heating

Water-Source Heat

Pumps ISO-13256-1(a) =17 kBtuh and =65 kBtuh and


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Cuadro

comparativo

de inversin

Griffiss AFB, NY

Conventional

System

Air-Source Heat

Pump

Ground-Source Heat

Pump

Number of units 13 7 22

Nominal capacity (tons)

Each

Total

13.5

175.5

13.5

94.5

4.8

105.6

Supplemental heaters (kW)

Each

Total

n/a

n/a

125

875

33

726

Equipment capacity

(kBtuh/h)

(at design conditions)

Summer

Winter

2,535.0

3,510.0

1,360.1

3,395.0

1,270.1

3,336.6

Energy Consumption (/yr)Electricity (kWh)

Demand (kW-mo)

Natural gas (therm)

Total energy (MBtu)

252,908

1,481

110,380

11,901

1,6546,555

4,200

0

5,562

1,413,207

4,355

0

4,822

Energy Costs ($/yr)

Electricity

Demand

Natural gas

Total energy

12,645

8,160

59,605

80,411

82,828

23,142

0

105,970

70,660

23,996

0

94,656

O&M Costs ($/yr) 8,775 3,300 3,700

Install Cost ($) 454,100 212,500 329,300

Equipment life (yr) 15 15 15

Total Life-Cycle Cost ($) 1,639,262 1,516,482 1,502,942


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Optimizacin de eficiencia Minimizacin de irreversibilidades

Generacin de entropa enuna caera: transicintrubulento - laminar

522

3

2

2)((Re)

.32

Pr),((Re)

'

D

f

T

m

NukT

qS D

ff

f

Df

gen


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Optimizacin de eficiencia Minimizacin de irreversibilidades

Caso 2 Calor transferidoconstante


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Minimizacin del trabajo Relacin de temperaturasptima

)()(

)()(

eLee

Hccc

ec

TTUAq

TTUAq

qqW

c

cc

aW

)1(2*

c

e

L

H

e

c

c

Re

UA

UAa

T

T

T

T

TUA

WW

)(

)(1

)(

*

Luego:

Donde:La relacin de temperaturas que minimiza eltrabajo es:

optc,

Condicin imposible de satisfacer en laprctica. Viola la 2a ley de la termodinmica.


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Generacin de entropa en funcin de larelacin de transferencias y la eficiencia delcompresor

)()(

)()(

)(

)(

1

Hccc

eLee

T

e

cc

c

H

c

L

e

e

egen

L

e

H

cgen

TTUAq

TTUAq

UA

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q

T

q

T

q

T

qS

T

q

T

qS

BE

ADqBUAxq

ABTEC

DAqUAxTAB

A

qS ete

H

etHegen

)()(1

1

)(

)(2

*

Se puede escribir

Donde:

),,,,)(,(,,,,

*

eHLT

L

e

gen

gen

qTTUAxfctesEDCBA

T

q

SS

G i d t f i d l


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Generacin de entropa en funcin de larelacin de transferencias y la eficiencia del

compresor


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COP y eficiencia 2 ppio en funcin de eficiencia delcompresor y relacin de transferencia entrecondensador y evaporador

Para (UA)=250 W/mK,

Qe=1000W, Th=303K y Tl=293K


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COP y eficiencia 2 ppio para una bomba decalor real e ideal

rev

irrII

COP

COP

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