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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA . SEMINARIO DE PROYECTOS I Y I1 JLIC. EN INGENIER~A EN ENERGIA XERGETICO DE CICLOS DE RETRIGERACION PRESENTA : ROMERO ROMO GERARD0 MARTIN ASESOR: M. en C. RAW LUG0 LEYTE abril de 2001
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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA .
SEMINARIO DE PROYECTOS I Y I1
JLIC. EN INGENIER~A EN ENERGIA
XERGETICO DE CICLOS DE RETRIGERACION
PRESENTA
: ROMERO ROMO GERARD0 MARTIN
ASESOR: M. en C. RAW LUG0 LEYTE
abril de 2001
OBJETIVO 225936 Se analizará energética y exergéticamente diferentes ciclos de refrigeración por
compresión de vapor, mediante la elaboración de un programa simulador,
considerando las caídas de presión en el evaporador y condensador.
JUSTIFICACION
El concepto de disponibilidad de la energía era un tema poco tratado y que ha ido
tomando interés en la actualidad.
En la refiigeración, la obtención de fiío depende del trabajo que se suministra al
sistema y por lo tanto implica un consumo de energía y esta a su vez representa
costos monetarios en la industria. El estudio energético y exergdtico, permite analizar
la disponibilidad de la energía y la irreversibilidades del sistema en cada proceso.
Con lo anterior, se pueden localizar los procesos en donde existe mayor destrucción
de exergía y en que grado, y de la misma manera si algún elemento del sistema
necesita mantenimiento o reemplazo.
ALCANCE
Utilizando como datos de entrada la temperatura en el evaporador y la temperatura
ambiental, que influye directamente en la temperatura de condensación, también
introduciéndose los datos de la longitud y diámetro del sistema de tuberías que
conforman al evaporador y condensador, respectivamente, se elabora un programa de
computo para llevar a cabo la simulación de los ciclos de refrigeración para que
permita la simplificación en el análisis tanto energético como exergético.
RESUMEN
En el presente trabajo se presenta la teoría básica sobre el tema de refiigeración por
compresión de vapor, desde un poco de historia hasta los elementos que integran al
equipo de refiigeración, a s í como la transicibn del cambio en el uso de los
refiigerantes.
Se realiza un análisis exergético y energético en ciclos de refrigeración por
compresión de vapor usando el refiigerante Freón-12, se consideran l a s caídas de
presión en el evaporador y condensador, analizándolos como un sistema de tubería
recta, en donde se lleva a cabo la transferencia de calor por conducción, es decir, no
se analiza el arreglo de tubería que lo conforman.
Se cuantifican las irreversibilidades del sistema de refiigeración por compresión de
vapor y se presenta de manera porcentual en una pfica de sectores.
ABSTRACT
In the present work the basic theory appears on the subject of refrigeration
by steam compression, from history to the elements that they integrate to the
refrigeration equipment, as well as the transition of the change in the use of
coolants.
A exergético and power analysis is made in cycles of refrigeration by steam
compression using the Freón-12 coolant, consider the loss of pressure in the
evaporator and condenser, analyzing them like a system of straight pipe, in
where the heat transference is carried by conduction, ¡,e, is not analyzed the
pipe array that conforms it.
The irreversibility of the system of refrigeration by steam compression are
quantified and it appears in form of percentage in a grafica of sectors.
Lic . Ingeniería en Enernfa Contenido
ESTRUCTURA
RESUMEN ABSTRACT CONTENIDO
INTRODUCCION
INDICE DE FIGURAS INDICE DE TABLAS NOMENCLATURA
Capitulo 1 Historia del arte ............................................................................. 1
1 . 1 Historia de la Termodinámica ................................................................... 1
1.2 Leyes de la Termodinámica ....................................................................... 3
1.2.1 Primer ley de la Termodinámica ..................................................... 3
1.2.2 Segunda ley de la Termodinámica .................................................. 4
1.2.3 Tercera ley de la Termodin~ica .................................................... 7
1.3 Refrigeraclon .............................................................................................. 7
1.3.1 El uso de la refiigeración en la industria ......................................... 9
.,
1 . 3.2 LA refiigeración en los vagones del ferrocarril .............................. 10
1.3.3 Refiigeracion de carnes en viajes largos ....................................... 10
1.3.4 Los refiigeradores domésticos ....................................................... 12
1.4 Refiigerantes ............................................................................................. 12
1.4.1 Eter reemplazado por amoniaco ..................................................... 13
1.4.2 Dióxido de sulfur0 como una alternativa ....................................... 14
1.4.3 Cloruro de metilo: "El último refrigerante" ................................... 15
1.4.4 Los Clorofluorocarbonos ............................................................... 15
1.4.5 Refiigerantes SUVA ...................................................................... 16
Capítulo 2 Refrigeración Dor wmtxeslon de vmor 19
2.1 Refrigeración por compresión de vapor .................................................... 19
2 . 1 . 1 El proceso de evaporacron ................................................................. 21
. . ........................................
..
Lic . Ingenieria en Energía Contenido
2.1.2 El proceso de compresión .................................................................. 22
2.1 . 3 El proceso de condensación ............................................................... 23
2.1.4 El proceso de expansión ..................................................................... 24
2.1.5 Coeficiente de operación .................................................................... 24
Capítulo 3 Componentes de los equipos de refiigeración Doc comoresión de
vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . $26
3.1 Evaporador ................................................................................................. 26
3.1.1 Clasificación de los evaporadores ...................................................... 27
3.1.2 Clasificación de acuerdo a su método de circulación ......................... 27
3 . 1 . 1 . 1 Evaporadores inundados .................................................................. 27
3.1 . 1.2 Evaporadores de expansión seca ................................................. 28
3.1.2 Clasificación de acuerdo a su tipo de construcción ............................. 29
3.1 2.1 De tubos desnudos ....................................................................... 29
3.1.2.2 De placas de superficie ................................................................ 29
3 . l . 2.3 Evaporador de convección forzada .............................................. 30
3.2 Condensador ................................................................................................ 30
3.2.1 Clasificación de condensadores ........................................................... 31
3.2.1.1 Enfriados por aire ......................................................................... 31
3.2.1.2 Enfi-iados por agua ........................................................................ 31
3.3 Vdwla de expansion.. 33 . I .................................................................................
3.3.1 Tipos de vblvul as .................................................................................. 33
3.3. 1 . 1 De expansión termostática ............................................................ 33
3.3.1.2 De flotador .................................................................................... 34
3.3.1.3 De expansión automática .............................................................. 35
3.4 Compresores ................................................................................................ 36
3.4.1 Reciprocantes ....................................................................................... 37
3.4.1 . 1 Herméticos (reciprocante) ........................................................... 37
3.4.2 Rotatorios ............................................................................................. 38
3.4.3 Helicoidales (de tomillo) .................................................................... 39
Lic . Inpeniería en Enerm'a Contenido
Capitulo 4 Andisis energético y exergético ...................................................... 40
4.1 Análisis energético del ciclo1 ...................................................................... 40
4.2 Segunda Ley ................................................................................................. 59
4.3 Calculo de Exergia ........................................................................................ 61
4.4 Balance exergético e Irreversibilidades ......................................................... 62
4.4.1 Compresar y motor eléctrico ................................................................. 63
4.4.2 Condensador .......................................................................................... 64
4.4.3 Evaporador ............................................................................................ 64
4.4.4 Cámara de mezclado ...................................................................... , ....... 64
4.4.5 Cámara de separación ............................................................................ 65 4.4.6 Válvula de expansión ........................................................................... 65
4.5 Diagramas de Grassmann (Irreversibilidades) ............................... ., ............ 69
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
APENDICE A
GPENDICE B
INTRODUCCION
El tema de disponibilidad de la energía ha surgido con gran interés, en el ámbito
industrial. Debido a la gran demanda en el consumo de energía, en la producción de
frío es necesario minimizar costos de operación.
Por lo anterior es necesario el estudio sobre ciclos de refiigeración por compresión
de vapor, por que de esta manera se puede saber de qué forma se está operando y cómo se usa la energía en el sistema.
En el primer capítulo, se presenta un bosquejo histórico de la termodinámica y de la
refrigeración, así como la sustitución gradual de los refrigmantes con contenido de
cloro por los SWAB de Dupont y el impacto al medio ambiente.
En el segundo capítulo, trata de una explicación sobre los procesos de un ciclo
simple de refrigeración por compresión de vapor, que incluye: como se calcula el
efecto refiigerante, el flujo másico, el trabajo suministrado por el compresor y el calor
rechazado en el condensador.
En el tercer capítulo, se describen los componentes de los equipos de refiigeración
por compresión de vapor. Se detallan los tipos de evaporadores, condensadores,
dispositivos de expansión y compresores, a s í como el fbncionamiento de cada uno de
estos.
En el cuarto capítulo, se presenta el concepto de exergía (disponibilidad), a s í como
los balances energéticos y exergéticos. Se analizan las irreversibilidades en el compresor y motor eléctrico, condensador, evaporador, cámara de mezclado, c h a r a
de separación y en el dispositivo de expansión. Para cada uno se presentan las
ecuaciones utilizadas. Una forma muy practica de observar las pérdidas de exergía
por cada proceso en el sistema es mediante los diagramas de Grassmann, que son
utilizados en Cste capitulo
INDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1 .Esquema del ciclo de refrigeración por compresión ........................ 20
Figura 2 . Diagrama presión entalpía del ciclo simple ..................................... 20
Figura 3 . Esquema del ciclo inverso de Carnot ............................................... 25
Figura 4 . Evaporador Inundado ....................................................................... 27
Figura 5 . Evaporador Inundado (2) ................................................................. 28
Figura 6 . Evaporador de expansión seca ......................................................... 28
Figura 7 . Evaporador de tubos desnudos ......................................................... 29
Figura 8 . Evaporador de tipo placa .................................................................. 29
Figura 9 . Evaporador de ventilación forzada ................................................... 30
Figura 10 . Condensador de tiro forzado ........................................................... 31
Figura 1 1 . Condensador de tubos enchaquetados ............................................ 32
Figura 12 . Condensador de serpentín y cubierta ............................................. 32
Figura 13 . Condensador de tubos y cubierta ................................................... 32
Figura 14 . Válvula de expansión termostática ................................................ 34
Figura 15 . Válvula de expansión termostática (2) ........................................... 34
Figura 16 . Válvula de flotador ......................................................................... 35
Figura 17 . Válvula de expansión automática ................................................... 36
Figura 18 . Compresor reciprocante .................................................................. 37
Figura 19 . Compresores herm~icos ................................................................. 38
Figura 20 . Compresor rotatorio ........................................................................ 38
Figura 22 . Diagrama esquemático del ciclo ..................................................... 40
Figura 23 . Diagrama Temperatura entropía ..................................................... 41
Figura 24 . Diagrama presión entalpía ............................................................. 54
Figura 25 . Caída de presión en el evaporador .................................................. 54
Figura 26 . Caída de presión en el condensador ................................................ 55
Figura 27 . Caída de presión en la válvula de aspiración (C-BP) ...................... 56
Figura 28 . Caída de presión en la válvula de descarga (C-BP) ........................ 56
Figura 2 1 . Compresor helicoidal ...................................................................... 39
Figura 29 . Caída de presión en la válvula de aspiración (C-N) ...................... 57
Figura 30 . Caída de presión en la válvula de descarga (C-AP) ........................ 57
Figura 3 1 . Esquematización de una máquina térmica ...................................... 59
Figura 32 . Grafico de sectores para l a s irreversibilidades del sistema ............. 66
Figura 33 . Grafica de la temperatura de evaporación & COP .......................... 67
Figura 35 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 1 ........................................... 69
Figura 36 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 2 ........................................... 70
Figura 37 Diagrama de Grassmann para el ciclo 3 ............................................ 70
Figura 38 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 4 ........................................... 71
Figura 39 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 5 ........................................... 71
Figura 40 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 6 ........................................... 72
Figura 41 . Diagrama de Grassmann para el ciclo 7 ........................................... 72
Figura 34 . Grafka de la temperatura de evaporación ¿it potencia ..................... 68
INDICE DE TABLAS
Lic. Ingeniería en Energía Nomenclatura
Nomenclatura
b
COP
d
D
h
I
I
L
m c m d
maVq
P PC
PELEC
qA
qB
S
T V
V
v X
exergía específica (kUkg)
coeficiente de operación (-)
diámetro de la tubería en el condensador (m)
diámetro de la tubería en el evaporador (m) entalpía específica (kJkg)
Irreversibilidad (kW)
longitud de la tubería en el condensador (m)
longitud de la tubería en el evaporador (m)
flujo másico en el condensador (kg/min)
flujo másico en el evaporador (kg/&) presión (bar)
potencia del compresor (kw) potencia eléctrica (kW)
calor absorbido (kJkg)
calor rechazado (Wkg)
entropía específica (M/kg K) temperatura("C)
volumen específico (m3kg)
velocidad del fluido ( d s )
flujo volumétrico (m3h) calidad de vapor húmedo(-)
Letras griegas
viscosidad del fluido (cp)
P densidad del fluido (kg/m3)
qeleC eficiencia eléctrico del motor (-)
qsic eficiencia isoentrcjpico del compresor (-)
subindices
1, 1*, 2,2*, 3 , 3*, 4,4*, 5, 5*, 6 , 7 , 8,9 ,lo, 11 estados del ciclo
Lic. Ingeniería en Energ*a Capitulo 1. Historia del Arte
1. HISTORIA DEL ARTE
1.1. Historia de la Termodinámica
En el primer cuarto del siglo XIX, se deslinda el campo de la filosofia respecto al
de las ciencias naturales basada en la experimentación, estableciéndose su principio
básico:
“Ley de la Conservación y Transformación de la Energia ’’
Los filósofos llegaron antes que los naturalistas a la conclusión de que existe una
concatenación universal de los fenómenos, de que no hay límites infianqueables entre
el mundo inorgánico y el orgánico, de qué berzas distintas son convertibles entre sí.
Son estas ideas las que ayudarían a Robert Mayer y a Helmholtz en el desarrollo de la
Termodinámica.
Los fisicos de esas épocas no le dieron importancia al trabajo realizado por
Helmholtz, debido a que contradecían la filosofía natural de Hegel. Como
consecuencia, PogendortT (jefe de redacción de la revista “Annalen der Physik”), se
negó a publicarlo, y Mayer envió el 16 de Junio de 1841 a PogendortT un artículo
sobre “La determinación cualitativa y cuantitativa de las berzas”. En 1845, publicó
otro trabajo ‘El movimiento orgánico en relación con el metabolismo”, en el que
concluía lo siguiente:
“En el transcurso de todos los procesos quhicos y fuicos, la jüerza ai&
constituye una magnitud constante ”
Sin embargo, la obra de Mayer y Helmholtz, no b e suficiente para que se
admitiera la nueva ciencia del Calor.
Fue el físico Alemán R. Clausius (1822-1888) quien realizó un estudio sistemático
de la teoría del calor, con su artículo en 1850, “Sobre la fberza motriz del Calor”. El
1
I
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 1. Historia d e l Arte
cual trata sobre los procesos relacionados con el desprendimiento de calor y consumo
de trabajo.
Años de acontecimientos importantes:
1798 El conde Rumford (Benjamín Thompson), inició el estudio cuantitativo de la
conversión de trabajo en calor, mediante sus famosos experimentos con el sistema de
taladro enfriado por agua utilizado en la manufactura de los cañones.
1799 Sir Humphry Davy estudió la conversión del trabajo en calor raspando hielo.
1824 Sa& Carnot publicó su afamada obra "Reflexiones acerca de la potencia
motriz del fuego", que incluía el novedoso concepto de ciclo termodinámico y el
principio de que la operación de una máquina en un ciclo reversible entre dos
depósitos de calor depende solamente de la temperatura de ambos depósitos y no de
la naturaleza de la sustancia de trabajo empleada en el ciclo.
1842 Mayer postuló el principio de la conservación de la energía.
1847 Helmholtz formuló el principio de conservación de la energía,
independientemente de Mayer.
1843-1848 James Prescott Joule sentó las bases experimentales de la primera ley
de la termodinámica al efectuar experimentos que permitieron establecer la
equivalencia del trabajo y el calor. En la actualidad se utiliza el símbolo J, en su honor, para representar el equivalente mecánico del calor.
1848 Lord Kelvin (William Thomson) definió una escala de temperaturas
absolutas basándose en el ciclo de Carnot.
1850 Rudolf J. Clausius posiblemente fue el primero en darse cuenta de la
existencia de dos principios básicos: la primera y segunda leyes de la termodinámica.
Introdujo además el concepto que ahora se le llama energía interna.
1875 Josiah Willard Gibbs publicó su obra monumental "Acerca de I equilibrio de
las sustancias heterogéneas", donde se hace una extensión general de la
termodinámica a los sistemas heterogéneos y a las reacciones químicas. También
incluye el importante concepto de potencial químico.
2
Lic. Ingenieria en Energía CaDitulo 1. Historia del Arte
1909 Caratheodory publicó una nueva versión de la estructura de la termodinámica
con una base axiomática cuya forma era enteramente matemática.
En mecánica se admitía la reversibilidad completa, y en realidad, los procesos
reales son irreversibles. Debido a esto, Clausius formula matemáticamente este
principio, estableciendo la segunda función de estado, la Entropía.
En los trabajos de Helmholtz, Duhen y sobre todo de Gibbs (1839-1903), la
termomecánica recibió un gran impulso. Se establecieron nuevas funciones
“termodinámicas” (Entalpía, Energía libre, Potencial termodinámico) con lo que esta
ciencia se enriqueció. Como consecuencia de estos trabajos, desapareció el nombre de
‘Teoría mecánica del Calor” o “termomecánica”, por el de “Termodinámica” que es
como se le conoce actualmente.
En 1859, J. Maxwell (183 1-1 874) presenta un informe sobre ‘ l a teoría dinámica
de los gases”, el cual decía que un gas está formado por una infinidad de pequeñas
esferas duras y totalmente elásticas, que interadan durante la colisión. Siguiendo el
ejemplo de Maxwell, L. Boltzmann (1844-1906) y luego W. Gibbs, elaboraron las
bases de la mecánica estadística. Con esto la ‘Teoría de la mecánica del Calor”, se
he dando lugar mediante el segundo principio, Entropía, que L. Boltzmann y más
tarde M. Planck lograron establecer con claridad.
1.2. Leyes de la Termodinámica
1.2.1. Primera Ley de la termodinámica
Con el surgimiento y la evaluación de las actividades científicas, el hombre ha
podido comprobar que la propiedad más general, a la vez primaria y hndamental del
universo es el movimiento.
3
Lic. Ingeniería en Energia Capítulo l . Historia del Arte
El comienzo de la determinación de la ley de la conservación de movimiento tuvo
su origen en la antiguedad, en donde se afirmaba que “de la nada no se puede
originar nada”. Stevin, Galileo, Descartes, Leibnitz y algunos otros, afirmaban la
conservación cuantitativa del movimiento. Descartes formuló una ley en la que se
postulaba que, “La cantidad de movimiento que existe en el mundo es constante”.
Como medida del movimiento, Descartes propuso la cantidad de movimiento, es
decir, el producto de la masa del cuerpo por la velocidad del movimiento.
En la ‘Mecánica” de Newton, éste adoptó la definición sustentada por Descartes.
Por eso se consideraba que la cantidad de movimiento no se conservaba. Leibnitz
propuso otra medida para el movimiento; el producto de la masa por el cuadrado de la
velocidad, afirmaba que la medida del movimiento propuesta por Descartes estaba en
contradicción con la ley de la constancia de la cantidad de movimiento que existe en
el mundo.
En fisica se observa cotidianamente un resultado importante, a pesar de la
complejidad que puedan tener los movimientos de l a s partículas, existe una expresión
bien definida que permanece constante durante dichos movimientos y que incluye la
posición espacial, la masa y la herza de todas las partículas que constituyen un
sistema. Esta invariante del movimiento es lo que se conoce como Energía Mecánica.
Esta consta de dos partes: la energía cinktica que depende de la masa y la velocidad
de la partícula, y la energía potencial que depende de las posiciones de las partículas.
1.2.2. Segunda Ley de la termodinámica
Sadi Carnot escribió en 1824, sus reflexiones sobre, ¿Cómo obtener trabajo del
calor en una máquina térmica?. En su artículo intitulado:
“RéJexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines própres á
ahelopper cette puissance”.
4
Lic. Ingeniería en Energia Capitulo I. Historia del Arte
El término herza motriz usado por Sadi Carnot es equivalente al trabajo, puesto
que escribió:
“Usamos la expresión fberza motriz, para expresar el efecto útil que un motor es
capaz de producir. Este efecto siempre se puede considerar como la elevación de un
peso a cierta altura, midiéndose esto mediante el producto del peso por la altura a que
se eleva”.
El introdujo dos conceptos:
Proceso Cíclico, que es una serie de cambios que sufre una sustancia de tal
forma que vuelve a su estado inicial.
0 Proceso Reversible, que es la posibilidad de invertir una serie de cambios de
tal forma que la producción de la fberza motriz, en el caso de una máquina de
vapor, no es, sino el transporte de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo fiío,
en el caso de la máquina inversa, es decir, una máquina de enfriamiento, se
está transportando calor de un cuerpo fiío a uno caliente mediante la adición
de un trabajo.
Formulación de la Segundllr ley ‘
De sus reflexiones, Carnot se percató de que los procesos irreversibles son menos
eficientes que los reversibles, es decir, en un proceso irreversible se gasta una
cantidad mayor de energía al convertir calor en trabajo mecánico. En tales procesos
resulta evidente adoptar como una medida de irreversibilidad de un proceso, la
cantidad de trabajo perdido; en un proceso reversible la cantidad de trabajo que se
pierde es cero.
Con base en esto, y tomando como imposible el principio de movimiento perpetuo,
Carnot llegó a la siguiente conclusión:
“No hczy máquina que tenga mayor eficiencia que una máquina reversible,
trabajando entre los mismos limites de temperatura ”.
5
Lic. Ingeniería en Enew’a Caoitulo 1. Historia d e l Arte
Sadi Carnot, hizo la siguiente formulación de la máquina térmica ideal:
La sustancia de trabajo está contenida en un cilindro construido con paredes no
conductoras y un pistón de material no conductor. En el exterior se tiene una base no
conductora; una hente de calor que se mantiene a una temperatura T 1 ; un cuerpo frío
o condensador que se encuentra a la temperatura T2. Estos cuerpos externos son tan
grandes que sus temperaturas no cambian prácticamente durante la transferencia de
calor. Los movimientos de desplazamiento del cilindro entre los diferentes cuerpos
externos son sin fricción.
R. Clausius en febrero de 1850 comunicó a la Academia de Berlín la segunda Ley
de la termodinámica, al mismo W.J. Rankine, en un trabajo presentado a la Sociedad
Real de Edimburgo, hace algunos planteamientos que pueden generar la segunda ley.
En marzo de 1851 aparece un trabajo de W. Thomson en el que plantea una
demostración rigurosa de la segunda ley.
A continuación se enuncia la segunda ley según diferentes autores:
Clausius: ‘%o es posible para una máquina que trabaja en un proceso cíclico sin
agentes externos, transportar calor de un cuerpo a otro de mayor temperatura”.
Kelvin: “ES imposible, por medio de un agente material inanimado, obtener un
efecto mecánico de un sistema mediante enfriamiento, y bajar su temperatura a una
menor que la que exista en los alrededores”.
Planck: “Es imposible construir una máquina que, operando en un ciclo completo,
no produzca ningún efecto excepto la elevación de una masa y el enfkiamiento de una
fuente de calor”.
Callen: “Existe una función (entropía) de los parámetros extensivos de un sistema
y que está definida para todo estado de equilibrio, cuyos valores, son de tal naturaleza
que hacen a la entropía un máximo”.
6
Lic. Ingenieria en Energía Capitulo 1. Historia d e l Arte
En la naturaleza no existen procesos reversibles, ya que cada operación natural
implica, en mayor o menor grado, la presencia de fiicciones. El principio de mínima
acción no es aplicable cuando se trata con procesos irreversibles.
1.2.3. Tercera Ley de la termodinámica
En 1905, Nernst y Planck postulan el Teorema de Nernst-Planck que dice:
“Conforme la temperatura disminuye, la entropía de un cuerpo químicamente
homogéneo y de densidad finita tiende a aproximarse a un valor definido, el cual es
independiente de la presión, del estado de agregación, y de la modificación química”.
1.3. REFRIGERACION
En un principio la obtención del frío artificial, surgió como una necesidad del
hombre para la conservación de productos perecederos, con el tiempo ha servido para
el mantenimiento de medicinas, etc.
El interés surgió al observar como los alimentos se conservaban más en época
invernales (fiío) que en verano (calor), y a través de los años la tarea que se ha dado
el hombre es la de ¿Cómo producir fiío artificialmente?.
Se sabe que desde hace mucho tiempo que los alimentos tardan en descomponerse
más en invierno que en verano, y que en los últimos 4000 años el hombre ha
intentado aprovechar esta circunstancia. En la antigüa Mesopotamia, se guardaban los
alimentos en pozos llenos de hielo, en donde se conservaban frescos durante meses,
los productos perecederos no refrigerados tenían que consumirse a pocos kilómetros
del lugar en donde se habían producido.
7
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo I . Historia del Arte
Los centros productores de alimentos solían encontrarse a miles de kilómetros de
las zonas densamente pobladas. Los mejores pastizales se encontraban en Argentina,
el sur de Australia, en Nueva Zelanda y el Oeste del Missisipi, en Estados Unidos, y
en zonas de reducida población. Los grandes consumidores de came vivían en
ciudades de Europa y en el Este de los Estados Unidos. El desarrollo de la
refiigeración comercial se debió en gran medida a los ganaderos que trataban de
hacer llegar la carne a los consumidores.
En Estados Unidos, los vagones del Ferrocarril refrigerados terminaron con los
vaqueros que hasta entonces habían llevado los rebaños desde los pastizales hasta los
mercados. Para transportar la came por barco desde Argentina o Australia hasta el
Noroeste de Europa se necesitaba una máquina refi-igeradora que hncionara
constantemente durante todo el tiempo que durara el viaje, que podía tardar hasta tres
meses y soportar los climas extremos. Hasta 1880 no se fabricaron máquinas seguras
que resolvieran el problema.
A principios del siglo XVIl fie posible conseguir temperaturas muy bajas y en
lugar de conformarse con que los alimentos se conservaran, se pudieron congelar a
bajas temperaturas y conservarse hasta que se produjera la demanda. Fue hasta 1930
que los propietarios de restaurantes pudieran comprar por primera vez muchos
alimentos &era de estación y las amas de casa empezaron a beneficiarse con la
ventaja de los fi-igoríficos domésticos con congelador incorporado. ,
La refiigeración elevó el nivel de vida y permitíó una mayor flexibilidad en la
cocina. Para los que vivían hera de las ciudades, se redujo la necesidad de la compra
diaria. Sin embargo, la congelación de alimentos no provocó un descenso de los
precios. De hecho a los fabricantes les resultó provechoso congelar y almacenar un determinado producto y ponerlo a la venta según la demanda.
8
Lic. ingeniería en Energía Capítulo I . Historia del Arte
¿Cómo fire posible transportar alimentos a través de océanos y continentes hace
2000 a.de.c?
En Ur (Actual lrak) se utilizaban pozos llenos de hielo para conservar los
alimentos. Los Gnegos y los Romanos también realizaban el acopio de hielo en
invierno, que guardaban en profundos pozos cubiertos y aislados con paja. El hielo se
conservaba hasta el verano sin fundirse, y la carne se guardaba en estos refrigeradores
primitivos. Se mantenía fresca durante varios meses sin necesidad de conservadores.
Los indígenas del Perú conocían los pozos de hielo antes de la llegada de los
Españoles en el siglo X V I . En toda Europa se utilizaron hoyos similares desde el
siglo XVII, hasta comienzos del actual.
1.3.1. El uso de la refrigeración en la industria
A finales del siglo XVII y comienzo del XIX, se llevaron a cabo experimentos
científicos para producir hielo, el primer uso industrial de la refiigeración tuvo lugar
en 1851 con James Harrison, impresor de Glasgow. Un día mientras limpiaba los
tipos de &er observó el efecto que ejercía sobre el metal y cómo lo d a b a al
evaporarse, Harrison explotó el proceso comprimiendo éter gaseoso con una bomba
hasta licuarlo, después disminuía la presión, con lo que el éter volvía a evaporarse,
enfriándose el metal considerablemente al hacerlo. Aplicó el sistema a una fabrica de
cerveza, donde se bombeaba gas de éter frío en tuberías que rodeaba el edificio.
En la ingeniería civil también se utiliza el fiío artificial, bien para enfriar el
hormigón en su colocación, para congelar los suelos acuíferos y de esta forma, puede
trabajarse como si se tratase de una roca sólida.
La primer aplicación mundial de esta técnica se remonta a 1880. El ingeniero
Alemán H. Portsch empleó este procedimiento en el Ruhr para forrar los pozos de las
minas en los terrenos acuosos. Esta técnica se utilizó en Francia a partir de 1908 para
9
Lic. Ingeniería en Energia Capítulo 1. Historia &/Arte
colocar en el fondo la caja metálica que constituía una parte de la estación del metro
de Saint-Michel, en París, en terrenos acuíferos a orillas del río Sena.
En el campo de medicina, el fiío interviene directamente para la hibernación
artificial y la criocirugía, la conservación del plasma sanguíneo, y de medicamentos
en los que el fiío es agente primordial, bien para asegurar la conservación de los
productos empleados antes de su utilización, o para intervenir directamente en la
etapa de su fabricación, como el desmoldeo de producto a base de cacao. También se
utiliza en la conservación de los sémenes de animales destinados a la inseminación
artificial.
1.3.2. La refrigeración en los vagones del Ferrocarril
En 1867, en los Estados Unidos, se utilizó hielo para los primeros vagones de
ferrocarril refrigerados. Estos heron proyectados por un pescadero William Davis,
para un ganadero George Henry Hammond, utilizando bloques de hielo para enfriar el
aire de los vagones. La carne se enfriaba y enviaba a los almacenes de Hammond en
Abilene, y se transportaba en grandes cantidades hasta Chicago, a 1000 km de
distancia y hasta Nueva York a 2330 k m .
1.3.3. Refrigeración de carnes, en los viajes largos
Aunque los bloques de hielo constituían una solución adecuada para el transporte
por ferrocarril, la duración de las largas travesías marítimas era impredecible, por lo
que este tipo de refrigeración no resultaba factible. El Francés Fernando Cané utilizó
en 1859 una máquina de refrigeración accionada por una bomba de vapor
(compresor) y un ventilador que lanzaba aire sobre el hielo, lo que permitía enfriar un
espacio mayor. En 1862, en la exposición universal de Londres, Fernando Cmé, asombró a la concurrencia produciendo bloques de hielo con una máquina de
dimensiones mayores (en relación con las actuales), ésta era una máquina de
absorción que extraía calor de un cuerpo fiío.
10
Lic. Ingenieria en Enern'a Capitulo 1. Historia del Arte
En 1866, Edmond Carré (hermano de Fernando Cmé) realizó otra máquina que
enfriaba garrafones de agua y botellas de vinos. Con estos pioneros empezaba la
conquista del frío.
Otro Francés Carlos Tellier, aumentó hacia 1860 la capacidad de la máquina para
utilizarla en barcos. En 1874 Carlos Tellier, construyó un conservador para carnes,
para el cual hubieron muchos escépticos, uno de ellos retando a Tellier a atravesar el
océano conservando una pierna de cordero.
Tellier desde hego aceptó, acondicionó un barco, con dos máquinas de
compresión mecánica, empleando éter metílico, de 40000 fiígorias . Le Frogorifique,
barco refrigerador construido expresamente por Tellier, el hielo se conservaba en una
cámara bien aislada con paredes de corcho, que se utilizaba para enfriar agua que se
bombeaba a todo el barco mediante tuberías. Se añadía sal al hielo, su temperatura
descendía considerablemente. El viaje era de Francia hasta América del sur y después
de regreso.
El 20 de septiembre de 1876, Tellier zarpó de Roven y con días después
desembarcaba en Buenos Aires, con la carga en perfecto estado. La segunda prueba
fue atravesar de nuevo el Atlántico para llegar a Roven, Francia, llegando con su
carga intacta parcialmente, es decir, debido a la imprudencia de un empleado se
averiaron dos charas, que llevaban dos bueyes.
Con esto se dio origen al transporte de m e s entre América y Europa, tomando un
gran auge en la industria de la alimentación (carnes, vegetales, pescados).
Diez años más tarde, Fernand Carré transportó, desde América del sur a Francia, a
bordo del vapor Paraguay, 80 toneladas de carne congelada a -30°C; el
mantenimiento de la temperatura en las cámaras se obtuvo esta vez con máquinas
fiigoríficas de absorción.
11
Lic. Inaeniena en Enerm’a Cadtulo 1. Historia d e l Arte
1.3.4. Los refrigeradores domésticos
Cuando aparecieron los primeros refrigeradores domésticos en Estados Unidos,
hacia 1850, estos consistían en un armario de madera aislado con un forro de pizarra
que se cargaba con barras de hielo. Estas se cortaban de los ríos helados durante el
invierno y se almacenaban hasta que se necesitaban en verano. Los alimentos se
depositaban directamente sobre el hielo, pero en 1856 se advirtió que ciertos
productos, sobre todo las carnes perdían color de esta manera y se construyeron otros
modelos con un compartimento separado para hielo. El primer refrigerador doméstico
mecánico lo fabricó en 1879 el ingeniero Alemán Karl Von Linde, modificando un
modelo industrial que había diseñado seis años antes para la fabrica de cerveza
Sedmayr, de Wiesbaden. El ciclo de refrigeración estaba resuelto mediante
compresión y evaporación del Amoniaco y estaba accionado por una pequeña bomba
de vapor. Hacia 1891 Linde había comercializado 12000 aparatos en Alemania y
Estados Unidos.
1.4, Ref+igerantes La rápida comente de actividad en el desarrollo de refligerantes ha fomentado
muchos cambios en sistemas de diseño que pueden parecer potencialmente
revolucionarios. En un contexto histórico, sin embargo, tales eventos son ocurridos
frecuentemente, a veces con resultados inesperados. Ahora tenemos una inmensa
capacidad de diseiio con modelos en computadora y pruebas de laboratorios de
nuevos productos.
Los refiigerantes predecesores probados, son igualmente de tener cuidado y
utilizados con métodos disponibles incrementan la posibilidad de éxito cuando un
nuevo producto es desarrollado.
12
Lic. ingeniería en Energía Capítulo I. Historia d e l Arte
Jacob Perkins, un americano que vivió en Londres, patentó el primer sistema
cerrado de refiigeración por compresión de vapor, con recepción Británica, patente
6662 fecha 1834, Perkins diseñó el sistema usando éter etileno como refrigerante. El
asistente de Perkins, John Hague, construyó un modelo trabajando con la máquina de
Perkins, pero encontró que le eran necesarias unas modificaciones.
No solo Hague cambió el diseño, sino también cambió el refrigerante. Hague usó
solventes volátiles, caucho. El caucho es un líquido volátil obtenido de la goma
natural y es destilado. En el siglo XIX, la goma natural (comúnmente referida como
caucho) h e importada de la India.
El sistema Hague trabajaba, haciendo pequeñas cantidades de hielo. Si el nuevo
refrigerante tenía continuidad al trabajar, no se sabía, por que no eran uno o más
casos con compresión de vapor (sistemas) hasta dos décadas después.
Ambos éter etílico y éter metilico continuaban siendo los refiigerantes usados para
experimentos en los 1860’s. Los sistemas de refiigeración por compresión fueron
exitosamente tomados (algunos, Alexander Twiningh, James Hanison y Charles
Tellier), usaron algunos tipos de éter, pero una vez más la sustitución h e intentada.
1.4.1. Eter reemplazado por Amoníaco
Durante 1869, un sistema de refrigeración diseñado por Charles Tellier de Francia,
elaborado en Nueva Orleans. El sistema de Tellier normalmente usaba éter metilico,
pero alguien lo sustituyó por amoníaco.
Francis DeCoppet fue llamado para resolver este problema. DeCoppet desechó el
compresor de Tellier, puesto que fbe diseñado para bajas presiones. Entonces 81
construye un nuevo compresor propio, diseñado expresamente para amoníaco.
13
Lic. Ingenieria en Energia Canítulo I. Historia del Arte
Poco después, otro sistema de amoníaco &e diseñado más notablemente por David
Boyle y Carl Linde (Linde, originalmente usaba éter, pero cambió a amoníaco para su
segunda máquina). De esta manera empezó la era de la refiigeración con amoníaco,
era que continúa en estos días. El más grande problema con el amoníaco resultaba ser
la falta de disponibilidad.
El uso del refrigerante amoníaco comienza a ser manufacturado en el período 1876
a 1879 por la compaiiía F.M. McMillan y la sucesora, compañía Artic Machine en
Cleveland, Ohio. Pronto numerosas empresas proveían amoníaco anhídrido.
Una vez que el amoníaco producía utilidad, este dominaba la industria de la
refrigeración. A h í las áreas especializadas en la refrigeración (tales como la pqueiia
casa de sistemas o aire acondicionado), donde el amoníaco fbe no apto, pero el
amoníaco fbe pronto evidentemente e1 refiigerante seleccionado por muchos otros
usuarios.
El dominio de un refrigerante, fue completamente por 1900, continuando por otros
50 años hasta los clorofluorocarbonos (CFC), que son usados en sistemas grandes.
1.4.2. Dióxido de sulfur0 como una alternativa
El dióxido de sulfur0 fbe propuesto y desarrollado como refiigerante por Raoul
Pictet de Génova, Suiza más o menos por 1875. Aparece que a Pictet le he dificil
dirigirse a varios problemas de alta presión del amoníaco en las máquinas, cuando
ésta fue operada en el trópico. La pérdida de aire, a baja presión, en máquinas éter por
los rendimientos inoperables. Pictet propuso dióxido de sulhro, como un refiigerante
ideal, tiene ventajas de bajo costo y operando a presiones que son suficientemente
bajas para climas cálidos, pero suficientemente alta para impedir la entrada de aire al
sistema.
14
Lic. Ingeniería en Enem’a CaDítulo l . Historia delArte
1.4.3. Cloruro de Metilo: “El último refrigerante”
Cloruro de Metilo (también conocido como éter clorometilo en la literatura) h e
promovido como un refrigerante después de 1878 en Francia por Camille Vincent a
través de la firma Crespin & Marteau y su sucesora Duane. El cloruro de metilo h e
aparentemente usado por los Franceses en el campo de batalla como un anestésico
para la amputación quirúrgica.
Los sistemas de Cloruro de Metilo experimentaron problemas al principio, la
Glicerina h e usada como lubricante en el compresor, sin embargo, ésta absorbía
humedad y atascaba la expansión del dispositivo. La primera máquina, también
experimentaba fallas del Cloruro de Metilo, y resultando cloro compuesto dañino
para la maquinaria.
1.4.4. Los Clorofluorocarbonos
En la ingeniería de refiigeración el sueño deseado h e un refiigerante que no &era
tóxico, no flamable y compatible para todas las aplicaciones, por los 1920’s este
sueño h e realizado.
El primer refrigerante de la familia de los Clorofluorocarbonos a ser desarrollado
h e el diclorofluorometano (R-21), que h e sintetizado tres días después haber hecho
trabajar el equipo. Poco después, varios tipos de refiigerantes heron hechos, y el
equipo instalado con diclorodifluorometano (R-12) como el refiigerante más
compatible para uso comercial, conocidos comercialmente por la familia del Freón.
El trabajo tiene comienzos en 1928.
La producción de R-12 tiene comienzos en 1929, en una producción
semicomercial dirigida por la planta Frigidaire. Por los 1930’s Frigidaire siguió
estudiando planes para usar el nuevo refiigerante, esto h e apropiado para aclarar el
porqué de la revolución de calidad y seguridad de los nuevos refrigerantes.
15
Lic. Ingeniería en Energía Capitulo l. Historia del Arte
El R-22 h e introducido en 1936, pero fue escasamente usado, hasta h e probado
en algunos pequeños congeladores con resultados desastrosos. Como resultado de los
desastres, R-22 desapareció de los sistemas de refrigeración de baja temperatura,
hasta recientemente que comienza a ser usado.
1.4.5. SUVA (Refrigerantes alternativos)
Actualmente los Clorofluorocarbonos están desapareciendo progresivamente para
proteger a la capa de ozono. En el protocolo de Montreal se acordó la eliminación
gradual de los Clorofluorocarbonos. Los refiigerantes alternativos SUVA están
compuestos de Hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y compuestos de
Hidrofluorocarbonos (HFC). Al contrario de los CFC’s los HFC’s no contienen cloro
y así tienen cero potencial de deterioro de la capa de ozono. Los HCFC que si
contienen cloro tienen un potencial de deterioro del ozono del 97% menos que los
CFC’s. Esto se debe a que con la adición de uno o dos átomos de hidrógeno permite
que se separen más rápido en la atmósfera baja, así que menos moléculas dañinas de
cloro llegan a la capa de ozono.
El SUVA 123 que sustituye al R-1 1 tiene un potencial de agotamiento de la capa
de ozono del 98% menos que el R-1 l . El SUVA 125 sustituye al R-502 y el SUVA
134a que sustituye al R-12 no presentan niveles de agotamiento en la capa de ozono.
Los SUVA MP (Mezclas) son mezclas ternarias de HCFC-22, HFC-152a y HCFC-
124, que reemplazan al R-12 y R-500, presentan un nivel de agotamiento del 97%
que los Clorofluorocarbonos. Los SUVA HP80 y SUVA Hp8 1 (Mezclas) son
mezclas de HCFC-22, HFC-125 y R-290 reemplazan al R-502 y tienen un potencial
de agotamiento del 90% menos que el R-502. El SUVA HP62, también sustituye al
R-502 y es un sustituto que no daña la capa de ozono.
Los SUVA’S tienen una característica de desempeño similar a los CFC’s, pero con
un impacto ambiental más reducido como se aprecia en la gráfica de comparación.
Los refrigerantes SUVA no son inflamables, y ofiecen una estabilidad en uso, con un
16
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 1. Historia del Arte
potencial reducido de deterioro de ozono y de calentamiento global. Y aunque no son
reemplazos definitivos, los refiigerantes basados en HCFC y M;C requieren cambios
mínimos en el equipo cuando se comparan contra productos alternativos.
Los criterios que se consideran para evaluar a los refiigerantes sustitutos son:
Potencial de agotamiento de la capa de ozono ODP(0zone Depletion
Potential).
Es el potencial que tienen los refiigerantes para reaccionar y averiar a la capa de
ozono, tomando como base al refrigerante CFC-11, que tiene un índice de ODP
de la unidad.
0 Potencial de calentamiento de la tierra GWP (Global Warming Potential).
De la misma manera defina la capacidad que tienen los refi-igerantes que son
liberados a la atmósfera para crear el efecto invernadero, que impide la salida de
la radiación infiarroja hacia el espacio exterior, reflejándose hacia la tierra
ODP
1 -- 113
HCFC o
0.8 - - o o 114
OA"
115
OA" o
0.2 =-
143 a L
i 2 i i i l j j i i b i o OWP
Comparacihn d e l ODP y GWP, para Merates refrigerantes.
m2 o
17
Lic. Inneniena en Enerm'a Caritdo l . Historia del Arte
provocando un calentamiento global. Como base se toma el CFC- 1 1, que tiene un
GWP igual a la unidad.
Refiigerantes SUVA@ de DuPont.
Muchos fabricantes automotores están haciendo la conversión de R-12 a los
productos alternativos. Fabricantes de refiigeración estacionario, electrodomésticos y
aire acondicionados están comercializando nuevos productos implementado
productos alternativos. La mayoría de los refiigerantes SUVA tienen características
de seguridad similar a los CFC 'S que reemplazan.
18
Lic. Zrtgenieria en Energía Capítulo 2. Refirgeracion por compresión de vapor
2. REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR
El uso de la refiigeración es sin duda importante en la vida del hombre, es por
esto, que se han realizado estudios para poder obtener el frío de diferentes maneras,
dependiendo de la disponibilidad de aplicarse cada uno de los diferentes tipos.
Los tipos de refrigeración más comúnmente utilizados son:
Por compresión de vapor.
Por absorción.
La temperatura de evaporación del refrigerante depende de sus características de
presión y temperatura de saturación, factor importante para el uso de cada uno de los
dos tipos de refrigeración que se necesite usar.
2.1. Refrigeración por compresión de vapor
Se explicará la compresión de vapor de una sola etapa, para dos o más etapas, el
principio es el mismo.
Los elementos del refiigerador por compresión de vapor son el evaporador,
compresor, condensador y válvula de expansión, como se muestra en la Figura l . En
el capítulo 3 se hace mención detallada de estos elementos.
En la retiigeración, se utiliza como principio el punto de ebullición del
refrigerante. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado seco o
sobrecalentado, donde es comprimido politrópicamente por el compresor de tal forma
que aumenta su presión y temperatura, ésta tiene que ser mayor que la temperatura
ambiente, para después pasar por el condensador, y de esta forma el refiigerante
rechace el calor que absorbió en el evaporador, donde sale como líquido saturado o
líquido subenfkiado, y se expande a través de una válvula de expansión desde la
presión de condensación hasta la presión de evaporación, donde las pérdidas de
19
Lic. Ingenieria en Energía Capitulo 2. Refirgeración por compresion de vapor
energía son consideradas casi nulas, como se tiene una caída de presión, entonces
existe una disminución en la temperatura del refi-igerante, por lo que se tiene vapor
húmedo. En la Figura 1 , se muestra el esquema del ciclo.
En el ciclo se desprecian las caídas de presión en el evaporador y condensador, el
cambio de fase en cada uno de estos elementos es a temperatura y presión constante,
En este trabajo se miden estas caídas de presión.
W a d e Evaporador
Figura 1. Esquema de la r e f i g e r a c i ó n por compresión de vapor.
r I I C ! j I
3
a
l
Entalpía
Figura 2. Diagram presión entalpía del ciclo ideal
20
Lic. Ingeniería en Energía Cupítuio 2. Refrigeración por compresidn de vapor
Para poder analizar un ciclo real si comienza por analizar un ciclo ideal. A continuación se explica en breve el ciclo ideal de refiigeración por compresión de
vapor.
Suposiciones:
No se tienen caídas de presión en el evaporador y en el condensador (cambio
de fase a temperatura constante).
0 Se desprecian las caídas de presión, debido a la fricción del fluido refrigerante
con la tubería.
0 En el compresor, no se tiene intercambio de calor, entre el refrigerante y el
medio ambiente (adiabático).
0 En la válvula de expansión, no se tiene intercambio de calor, debido a que la
superficie expuesta al ambiente es muy pequeña (adiabático).
2.1.1. El proceso de evaporación (1-2)
Este proceso se lleva a cabo en el evaporador, que realiza la hnción de un
intercambiador de calor, donde pasa la salmuera, que es el líquido o reffigerante
secundario que se desea enfriar en algunos casos es aire (un ejemplo, es utilizando un
evaporador de convección forzada, en aplicaciones en aire acondicionado), donde la
transferencia de calor es de la salmuera al refrigerante, esto es posible puesto que la
temperatura de la salmuera es mayor que la temperatura del reffigerante, debido a que
la salmuera absorbe el calor (por conducción, convección ylo radiación) de la cámara
frigorífica, donde se tiene la carga de refrigeración.
El reffigerante entra al evaporador como vapor húmedo (estado l), según en la
región en que se encuentre dentro de la campana de saturación para las condiciones
dadas (presión y entalpía) se determina la calidad de vapor que se tiene, para lograr
una mayor extracción o remoción de calor, conviene tener una calidad baja del
refrigerante, de esta forma aumenta lo que se conoce como efecto refrigerante. Como
21
Lic. Ingeniería en Enew’a Capitulo 2. Refigeración por compresión de vapor
se puede ver en la Figura 2 el fluido de trabajo absorbe el calor de la cámara
frigorífica, durante el proceso de evaporación (1-2), manteniendo la temperatura y
presión constante. A la saiida del evaporador se puede tener vapor saturado seco o
como vapor sobrecalentado. En la mayoría de los casos cuando se cuenta con
dispositivos como un intercambiador de calor al salir del. evaporador que
sobrecalienta los vapores. Lo anterior lleva a decir que, se tiene un sistema de
compresión de vapor con recalentamiento.
Entonces, el calor absorbido por el refiigerante en el evaporador, según la Figura 2
es;
q A = h2 - hl
A la ecuación anterior también se le conoce como efecto refiigerante, que es la
cantidad de calor absorbido de la salmuera por cada kilogramo de refiigerante que
fluye.
2.1.2. El proceso de compresión (2-3)
El refiigerante antes de entrar al compresor (estado Z), se encuentra a la
temperatura de saturación correspondiente a la presión a la cual se lleva a cabo la
evaporación, se comprime politrópicamente a la presión de descarga, que es a la cual
se lleva a cabo el proceso de condensación.
El refiigerante sale del compresor como vapor sobrecalentado, ya que aumenta su
temperatura por encima de la de saturación a la presión de descarga.
El vapor reftigerante fluye debido a la succión que el compresor crea al
alimentarse, al comprimirse se eleva la temperatura y la presión. El trabajo requerido
para la compresión lo proporciona un motor o una máquina que mueve
mecánicamente al compresor. En el caso de los refiigeradores domésticos, se usan los
motocompresores herméticos, que están sellados de fabrica, cuenta con un motor
eléctrico que proporciona el movimiento a un par de pistones.
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 2. Refrigeración por compresidn de vapor
Debido a que no existe intercambio de calor en el compresor, se le llama proceso
adiabático y se supone que no hay Fricción, por lo tanto no tendremos cambio de
entropía del refiigerante en la compresión.
El trabajo de compresión se calcula de la siguiente manera, según la Figura 2;
y la potencia suministrada por el compresor es;
PCS = m= (h3s - h2)
2.1.3.'E1 proceso de condensación (3-4)
Como no existen caídas de presión en las tuberias, la presión a la salida del
compresor es la misma que la que entra al condensador. Como se tiene vapor
sobrecalentado al entrar al condensador (estado 3), éste disminuye su temperatura
hasta la de saturación a presión constante, y luego es condensado. Como fluido de
enfriamiento se puede utilizar agua o aire, de tal forma que la transferencia de calor
se lleva a cabo del refiigerante al fluido de refiigeración, ya que el refrigerante tiene
una temperatura (de saturación) mayor que la del fluido de refiigeración.
El refiigerante sale como líquido saturado (estado 4) del condensador. En algunos
caso se puede tener líquido subenfiiado, y esto se logra cuando se coloca un
intercambiador de calor a la salida del condensador, con el mismo refiigerante como
fluido de enfriamiento, éste se enfiia a una temperatura por debajo que la de
saturación al líquido que sale del condensador.
23
Lic. Ingeniería en Energia Capitulo 2. Refn’geracidn por compresion de vapor
El calor rechazado por el refrigerante en el condensador es el siguiente.
2.1.4. El proceso de expansión (4-1)
La válvula de expansión (dispositivo comúnmente usado), tiene una abertura
estrecha, que da lugar a una caída de presión (conocido como estrangulación). Como
tiene una caída grande de presión, el refiigerante (líquido) comienza e evaporarse
parcialmente, de tal forma que se tiene un enfriamiento del líquido debido a la
evaporación parcial del refrigerante. La expansión se lleva a cabo desde la presión de
condensación (lado de alta presión) hasta la presión de evaporación (lado de baja
presión).
El refrigerante sale de la válvula como vapor húmedo, y como se desprecian las
pérdidas de calor, debido a que es muy poca el área de la válvula expuesta al
ambiente, por lo tanto, se tiene una expansión con entalpía constante.
La expansión del refrigerante es desde la presión de condensación hasta la presión
de evaporación.
2.1.5. Coeficiente de operación
La Figura 3 representa el ciclo de Carnot inverso, de la hente a temperatura TA, absorberá la cantidad de calor QA, y se cederá a la fbente a la temperatura Tg, la
cantidad de calor QB. Por primera ley de la termodinámica,
IQ,I-[Q,l=-w obien, I Q B I - l Q , l = w
24
Lic. Ingeniería en Energ'a Capítulo 2. Refhgeración por compresión de vapor
El Coeficiente de Operación (C0P)se expresa como sigue:
COP= QA/w
COP= QA/(QB-QA)
Figura 3. Esquema del ciclo inverso de carnot
TB>TA
Donde,
QA = Calor absorbido
QB = Calor rechazado
W = Trabajo realizado sobre el sistema
En el caso del ciclo inverso de Carnot, tenemos
COPC = TA *B - T.
Que es el nivel máximo de eficiencia, funcionado de manera reversible y ésta
disminuirá con el grado de irreversibilidad que integran al ciclo.
donde TB y TA son temperaturas absolutas
... TB>TA TA> TB-TA
Por lo tanto, el COPc tomará valores superior a la unidad
25
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
3. COMPONENTES DE UN REFRIGERADOR POR COMPRESION DE VAPOR
LOS componentes del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
Evaporador
Compresor
Condensador
Válvulas
Tuberías
Controles de flujo
Equipo de medición
Cámara fiigorifica
3.1. Evaporador
El evaporador es en sí un intercambiador de calor, su fhción es la
transferencia continua y eficiente de calor desde el medio (en algunos casos Ia
salmuera, en este trabajo se denominará de esta forma) que se desea enfriar al
refiigerante. El aire es utilizado en el caso de aire acondicionado como
refiigerante secundario y el agua con sal (salmuera) es utilizada en equipos donde
los refrigerantes son tóxicos si están en contacto con el sistema respiratorio, como
el amoniaco.
El refi-igerante entra al evaporador a baja presión, debido a la expansión que
experimenta al pasar por la válvula de expansión, el refrigerante tiene una calidad
baja, y se lleva a cabo el efecto refiigerante.
Debido a que el refi-igerante, al entrar al evaporador tiene una baja calidad,
absorbe una mayor cantidad de calor. Físicamente, como entra a la temperatura de
saturación correspondiente a la presión de evaporación, el líquido gradualmente
se evaporarh al recibir el calor, que es cedido por la salmuera. El refiigerante sale
26
Lic. Ingeniería en Energia Capítulo 3. Componentes de un equipo
del evaporador como vapor saturado seco, y en algunos casos puede ser vapor
sobrecalentado.
3.1.1. Los evaporadores se clasifican en dos ramas debido a su método de
circulación:
Evaporadores inundados
0 Evaporadores de expansión seca
3.1.1.1. Evaporadores inundados
El evaporador siempre contiene líquido refiigerante y el nivel es controlado
mediante flotadores, u otros dispositivos. El vapor obtenido en el evaporador es
succionado de la parte superior como se muestra en la Figura 4. Debido a que en
la mayor parte del área de transferencia de calor se tiene líquido, se mantiene
húmeda la superficie interior del evaporador, que aumenta el uso efectivo del área
de transferencia. Una desventaja es que ocupan mucho espacio y requieren una
carga mayor de refrigerante. La Figura 4, muestra un esquema de los
evaporadores inundados.
Figura 4. Evaporador inundado
27
Lic. ingeniería en Enerma Capitulo 3. Commnentes de un eauim
Un caso particular, es cuando el refiigerante fluye por fbera del serpentín (o
tubos), y la salmuera a lo largo de estos, de tal manera que el serpentín se
encuentra siempre sumergido en el líquido refrigerante y se aprovecha en su
totalidad el área de transferencia (Figura 5).
Figura 5. Evaporador inundado.
3.1.1.2. Evaporadores de expansión seca
Este tipo de evaporador es el más utilizado, la cantidad de refiigerante es
controlada por medio de una válvula de expansión, que suministra justamente lo
suficiente para que se evapore en su totalidad antes de salir del evaporador. La
Figura 6, muestra un esquema de los evaporadores de expansión seca.
Succión del Bulbo
váhla cámara frigorifica
Figura 6. Evaporador de expansión seca
28
Lic. Ingeniería en Energía Capitulo 3. Comvonentes de un eWvo
Una desventaja de estos evaporadores es que, al entrar el refrigerante ya entra
evaporado parcialmente, y conforme fluye, se va evaporando más, de tal forma
que se sobrecalienta y debido a esto se tiene menos liquido en la tubería del
evaporador, disminuyendo el uso efectivo del área de transferencia.
3.1.2. Clasificación de los Evaporadores de acuerdo a su tipo de construcción
Tubos desnudos
0 Placas de superficie
0 Tubos con aletas
3.1.2.1. Tubos desnudos
El material utilizado comúnmente en la elaboración de estos tubos es el acero o
el cobre, donde el acero es para capacidades mayores utilizando como refiigerante
el amoníaco, mientras que el cobre es para capacidades menores.
se muestra un diseño de tubos desnudos.
En la Figura 7,
Flujo de salmuera
Figura 7. Evaporador de tubos desnudos.
3.1.2.2. Placas de superficie
El material utilizado es el a1uminio.o lámina de acero, se unen dos placas de tal
forma que, al unirse quede el conducto por el cual pasará el refrigerante. Este tipo
de evaporador se utiliza mucho en los refrigeradores domésticos (congeladores),
Entrada de r e f i i g e m t e
Salida de -refrig-te
Figura 8. Evaporador tipo placa
29
Lic. Ingeniería en Energfa Capitulo 3. Componentes de un equipo
debido al fácil acceso para la limpieza.
3.1.2.3. Otro tipo de evaporador es el de convección forzada
Este tipo de evaporador es utilizado para enfriar aire en especial, están
equipados con ventiladores para hacer pasar el aire entre los serpentines con
refiigerante. Se aplican en unidades de enfriamiento, enfriadores de productos,
unidades de aire acondicionado, serpentines con ventilador y dihsores de fiío. La
Figura 9, muestra un evaporador de este tipo.
Evaporador I
..
Ventilador
Figura 9. Evaporadot de ventilación forzada
3.2. Condensadores
Al igual que el evaporador, el condensador es también un cambiador de calor.
Nadamás que, ahora el calor fluye del refrigerante a un medio- de enfiiamiento que
puede ser agua o aire.
La hnción del condensador es la de rechazar el calor del vapor refiigerante,
que sale del compresor a una temperatura más alta que la temperatura del
ambiente para que se lleve a cabo el fenómeno de transferencia de calor, de tal
forma que se condensa a su estado de líquido saturado o en los casos donde se
tienen dispositivos adicionales se tendrá líquido subentiiado.
30
Lic. Ingenieria m Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
3.2.1. Clasificación de condensadores según el tipo de enfriamiento
0 Enfriados por aire
Enfriados por agua
Evaporativos
3.2.1.1. Los condensadores enfriados por aire
Descarga del compresor de refrigerante
Salida a la viilvula de expmibn Ventilador
2 2 5 9 3 6
Aire
Aire
Figura 10. Condensador de tiro forzado
Los condensadores enfriados por aire se pueden clasificar como sigue:
Tiro natural.- Refrigeradores domésticos, congeladores, ediiadores de agua,
etc.
Tiro forzado.- Grandes unidades industriales, congeladores domésticos,
enfriadores de botellas, aire acondicionado, etc. (Figura 10).
3.2.1.2. Los condensadores enfriados por agua
Los condensadores enfiiados por agua se pueden clasificar como sigue:
Desde el punto de vista del sistema.
Sistema abierto.- Se usa agua del municipio y se elimina.
Sistema cerrado.- Se usan torres de enfriamiento, para la recuperación del
agua.
31
Lic. Ingeniería en Energ'a Capítulo 3. Componentes de un equipo
Desde el punto de vista de construcción.
Tubos enchaquetados, (Figura 1 1 ) .
0 Serpentín y cubierta, (Figura 12).
Tubos y cubierta(Figura 13).
Entxada del vapor refrigerants3
Entrada del agua de enfriamiento
refrigelante líquido
Figura 1 l. Tubos enchaquetados Figura 12. serpentin y cubierta
Ent De gas retiigerante sal. De líquido ret 1 t
At y%ahda de agua de enfriamiento
Figura 13. Tubos y cubierta.
32
Lic. Ingeniería en Enerma Canítulo 3. Cornoonentes de un eauiDo
3.3. Válvula de expansión.
El fbncionamiento de la válvula de control consiste en la expansión del fluido
de trabajo desde la presión de condensación hasta la presión de evaporación. El
evaporador no debe sobrealimentarse ni subalimentarse, y esto se controla
mediante un bulbo que está conectado a la válvula y automáticamente aumenta o
disminuye el orificio o abertura de estrangulamiento (Figura 6). Este dispositivo
debe responder a todo cambio en las condiciones de flujo. Por ejemplo, cuando
aumenta la carga térmica, el dispositivo debe de suministrar más refiigerante.
Todos los dispositivos de control de flujo tienen una abertura la cual crea la
diferencia de presión necesaria para llevar a cabo sus íünciones de expansión.
3.3.1. Tipos de válvulas o Válvula de expansión manual
e Válvula de exjbsión termostática
e Válvula de flotador de lado de alta y de baja
o Válvula de expansión automática
3.3.1.1. Válvula de expansión termostática
De todos los dispositivos de control de flujo, es la que se usa más comúnmente.
Se puede utilizar con sistemas de cualquier capacidad, ya sea con serpentines de
expansión directa o con enfriadores de líquidos, de expansión seca.
Realiza un excelente control automático del flujo de refiigerante al evaporador,
en la proporción requerida, sobre una amplia gama de cargas, mientras mantiene
33
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
en operación la mayor parte del área de transferencia de calor, con el fin de
evaporar el refrigerante a pesar de los cambios en las condiciones de succión
Succión de refrigerante compresor
Entrada de refrigerante alta presión
Evaporador
LC ' Aguja reguladora 1 I (xllara fngorífica
de ajuste
Figura 14. Válvula de expansión t e m d t i c a
t
1 J
Figura 15. Forma fisica de una Vhlvula de expansión termosk4tica.
3.3.1.2. Válvula de flotador
Las válvulas de flotador se utilizan en algunas aplicaciones como controladores
de flujo de refiigerante. Se pueden agrupar en válvulas del lado alta y del lado
baja presión. En las del lado de alta, un vástago y un orificio de la válvula separan
los lados de altas y baja presión del sistema. Un flotador conectado a un vástago
descansa sobre la superficie del refiigerante líquido, la válvula se abre a medida
34
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
que el flotador se eleva y se cierra cuando éste baja. La función es similar a la
termostática.
E I
Figura 16. Vilmía de flotador
3.3.1.3. Válvula de expansión automática
Se utiliza limitadamente para la expansión de refi-igerantes. Son dos las
presiones que operan sobre la válvula, la presión constante actúa sobre el resorte
de la superficie superior de diafiagma con el fin de abrir la válvula, y la presión
del evaporador actúa sobre la superficie inferior del diafiagma, tendiendo a cerrar
la válvula. Cuando aumenta la presión del evaporador, la válvula se mueve a UM
posicibn más cerrada, esto reduce el flujo de refkigerante que entra al evaporador
y reduce la presión del mismo. Si la presión del resorte sobrepasa ahora la presión
del evaporador, y la válvula se mueve a una posición más abierta, aumenta el flujo
de refrigerante y la presión del evaporador.
35
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
Refrigerante "-+
alta presión
Tornillo de Presión d e l resorte aiuste /
Figura 17. Válvula de expansión auto&ca
3.4. Compresores.
La hnción de un compresor es aumentar la presión del refrigerante, de la
presión de evaporación hasta la presión de condensación, debido a que la
temperatura de saturación correspondiente a la presión de condensación es mayor
que la del ambiente se puede realizar la transferencia de calor del vapor
(refrigerante) hacia el medio de enfriamiento. Además, el compresor garantiza la
circulación del refrigerante a través de todo el sistema, venciendo resistencias
debido a la ficción.
Tipos de compresores (de desplazamiento positivo);
Reciprocantes
Rotatorios
Helicoidales (Tornillo)
36
Lic. Ingeniería en Enem’a Canítulo 3. Componentes de un e m i m
Existen otros tipos de compresores llamados dinámicos, uno de ellos es el
compresor centrífugo, otro es el compresor de flujo axial, este último no se utiliza
en los sistemas de refrigeración. En este trabajo no se tratarán.
3.4.1. Compresores reciprocantes
Están compuestos de cilindros, pistones, un cigiieñal y válvulas de succión y
descarga. Estos compresores pueden estar compuestos por uno o más cilindros. Al compresor se le tiene que suministrar energía mecánica rotatoria, para que
empiece a moverse el cigheñal y de esta forma los cilindros realicen un
movimiento alternativo.
Figura 18. a) Carrera de succión, b) Carrera de descarga.
En el caso de la carrera de succión, el pistbn se desplaza hacia abajo, el
volumen creciente del cilindro da por resultado una disminución en la presión que
la que existe en la línea de succión, esto provoca que la válvula de succión se
abra, mientras la válvula de descarga permanece cerrada. Cuando el pistón se
desplaza hacia arriba, la disminución del volumen hace que la presión aumente, lo
que da por resultado que la válvula de descarga se abra y la válvula de succión
permancerá cerrada.
3.4.1.1. Compresores Herméticos (reciprocante) En este tipo de compresores, el motor y el compresor está conectados por un
sólo eje, ambos en un sistema sellado, de tal forma que no puede ser abierto, ya
37
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
que viene soldado de fabrica. Es el más empleado en refrigeración doméstica ya
.- .7- ' - que es compacto, silencioso y de bajo costo. La ventaja de este tipo de compresor
es que debido a que todo está sellado, no se tienen ningún tipo de fugas al
ambiente. El mismo gas refrigerante de succión sirve para el enfriamiento de los
embobinados del motor, en la Figura 19, se muestran fisicamente dos
motocompresores de la marca Copeland.
Los compresores no se fabrican con un diseño hermético, cuando se les va a
utilizar con amoníaco, debido a que este refrigerante reacciona con los materiales
del motor.
I I
Finura 19. Comuresores Herméticos. 3.4.2, Compresores rotatorios
El movimiento de estos compresores es circular en lugar de reciprocate, ver
Figura 20.
Figura 20. Compresor rotatorio.
38
Lic. ingeniería en Energía Capítulo 3. Componentes de un equipo
El fbncionamiento de estos compresores es, aspira los vapores y al girar los
comprime, y el obturador que tiene sirve para que los vapores comprimidos no
retornen a la línea de succión y tomen por completo la línea de descarga.
3.4.3. Compresores helicoidales (de tornillo)
Se compone de dos rotores engranados, cuya forma es semejante a los tornillos
comunes, un motor hace mover mecánicamente al rotor macho, el cual tiene
lóbulos prominentes. El rotor hembra tiene ranuras en las que engranan los
lóbulos machos, dándoles movimiento. Los vapores se aspiran axialmente hacia
los rotores desde la abertura de succión, cuando los rotores giran, los vapores
quedan alojados en la cavidad que existe entre los dos rotores. El lóbulo macho
disminuye gradualmente el espacio entre el mismo y la cavidad de la hembra,
aumentando así la presión del vapor, que es llevado a la zona de descarga, en la
Figura 21, se presenta un corte de un compresor de tomillo.
I
Figura 2 l. Compresor Helicoidal o de tornillo
39
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
4.- ANALISIS ENERGETIC0 Y EXERGETICO
4.1 Análisis Energético
Se tiene el diagrama mostrado en la Figura 22 a partir de éste se realizarán
cálculos, para el análisis energético del ciclo, utilizando como refrigerante al
Freón-12, aunque es un refrigerante que está saliendo del mercado (año 200 l),
muchos equipos lo tienen integrado.
Figura 22. Diagrama esquedtico del ciclo 1
Una observación, para los cálculos en las pérdidas de presión en las vál vulas de los compresores, se utilizará la notación 1 * y 2*, 3* y 4*, para el compresor de
baja y alta presión respectivamente, donde 1*, es el estado en donde aspira el
vapor que sale del evaporador y 2*, es el estado en donde descarga el vapor hacia
la cámara de mezclado. El estado 3*, es la aspiración del vapor que viene de la
cámara de mezclado y el estado 4*, es donde descarga el compresor de alta
presión. E n estado 5* es el que está a la salida del condensador.
Se realiza un programa simulador para los ciclos 1 al 7 (apéndice A). Para los
datos que se requieren, se hacen cálculos en los ciclos sin caídas de presión,
obteniéndose así, los flujos mhicos en el condensador y evaporador. Partiendo de
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeracibn
aquí, el programa simulador calcula las propiedades termodinámicas en todos 10s
estados y cada uno de los ciclos, operando de forma iterativa.
I Entropía
Figura 2 3. Dia- Temperatura - Enbopfa d e l ciclo 1
Los condiciones de opemcieh
En el estado 9 del ciclo 1, se maneja una temperatura de T9= -12 "C (en el
programa simulador esta temperatura se puede variar), para que en la cámara de
refi-igeración se tenga una temperatura de -2°C a 0°C [l I], un uso práctico de este
nivel de temperatura, es la eIaboración de hielo, donde la temperatura de
congelación dentro de la cámara tiigorífíca para el agua es de P C a la presión
atmosférica. A la temperatura T9, tenemos una presión de saturacibn ps = 2.045 bar, como se cuenta con UM carga térmica de 5 Tn de refrigeración, los flujos
calculados por el simulador son:
m- = 7.621 kg/min m& = 9.79 kg/&
La presión en el condensador, se determina según la temperatura ambiental,
que tiene que ser alrededor de 10 a 15 grados centigrados menor que la del fluido
refrigerante, para que pueda realizarse la transferencia de calor al ambiente.
Tomando a esta temperatura mayor que la del ambiente como referencia tenemos
la presión de saturacidn, a la entrada del condensador es p4 = 8.477 bar. La
presión en el estado 2, para ciclos de dos etapas (uno de alta y baja presión),
buscando que el trabajo en l a s dos etapas sea el mínimo y el mismo, se tiene
41
.
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración 7
entonces, la presión media geométrica (p~=[p1*p4]*.~, ver apéndice B), en este caso
p2= 4.163 bar.
Estado 8.
Como en la cámara de separación se tiene líquido saturado, los cálculos se
realizan a partir del estado 8.
Por lo tanto utilizando tablas para el Refrigerante 12, se tiene que,
p8 = 4.163 bar, con una calidad de xg=O, se encuentra como líquido saturado. Con estos datos obtenemos lo siguiente;
Tabla 1.
V8 [m3/kg] I0.0007319 . . ."
h8 [ U k g ] O. 173 1 s8 [kJ/(kg K)] 44.802
Estado 9.
En el estado 9, se tiene una expansión isoentálpica desde la presión 8 hasta la
presión 9 y entonces se tiene vapor húmedo.
ps= 2.045 bar, h9= h8= 44.802 Ukg
Es necesario calcular la calidad del refrigerante, en este estado, por lo tanto los datos para la presión de saturación a 2.045 bar.
h ~ 2 5 . 0 3 5 W k g
hg=182. 17 kJkg
Por lo tanto
h9 "hf I p 9 -hf l p 9 x, = = 0.12
42
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeracih
sí,
vg= 0.08239 m3kg VF 0.0006972 m3/kg
sg=0.70268 kJ/(kg K) *O. 10098 kJ/(kg K)
vg=(v,-vf)x$”i-F O. O 1097 m3kg
Tabla 2.
0.01097
L s9 [kJ/(kg K)] I O. 1766 I
Est& 1.
El evaporador es un intercambiador de calor, el cual está compuesto de tubos, y
al pasar el fluido del estado 9 al estado 1, se produce una caída de presión. Para
calcular estas caídas de presión se deberá proporcionar los siguientes datos:
0 Diámetro de los tubos en el evaporador, D Longitud de los tubos en el evaporador, L
En este caso, basándonos en las dimensiones del evaporador y condensador de
una Unidad de pruebas de Refrigeración HILTON [8], se usan los valores de,
D= 0.02 m L= 0.6 m
= 7.621 kg/&
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
Numero de Reynolds
Entonces podemos calcular el número de Reynolds, que sirve para saber que
tipo de flujo tenemos, si es laminar o turbulento.
Donde,
RH2300 => flujo laminar Para flujos internos:
Re2300 => flujo turbulento
Re-35000 => flujo laminar Para flujos externos:
Re55000 => flujo turbuiento
y como el valor de p, varía con la temperatura, se tiene la siguiente tabla para
el Refrigerante-12.
Tabla 3 . TTC) p (kg/m S)
-40 0.0000106 -28.88
0.00001 18 -17.77 0.00001 12
I I 1
-6.66 0.0000 129 4.44 0.0000124
15.55 0.0000145 37.77 0.0000140
43.33 0.0000150 63 0.0000148
44
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de reliigeración
El volumen específico es el inverso de la densidad.
1 p=- V
Con lo anterior tenemos el flujo volumétrico en el evaporador.
V = (7.621)(0.01097)(1/60) =0.001393 m3/s
para una TF -12 “C se tiene una p=O.O12 cp =O.Ol2XlO” kg/m S, de la Tabla 3
para T9
4(0.001393) Re = = 667633.16 ~(0.02)(0.012x10-3)(o.01097)
Se tiene flujo turbulento, porque Re2300.
Ahora aplicamos la formula de Darcy para calcular l a s pérdidas por fiicción en
el evaporador.
C = P / ( & L vz
Para flujo turbulento el factor de fiicción se calcula de la siguiente forma:
0.0791 f =- R&
Por lo tantof= 0.00276
Y la velocidad
4v 4(0.001393 ) V=- - = 4.43 m/ s 71D2 740.02
-
Con el programa simulador se sabe que la potencia en el compresor de baja
presión es de P~p(real)=2.106 kW y se tiene el diámetro de la tubería por la cual
circula el refiigerante en el evaporador D 4 . 0 2 m. Y como dato la temperatura de
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refiigeración
evaporación %=-I 2°C. Por medio de la literatura [ 11, usando el diagrama de
velocidades para el Freón 12, se tiene una velocidad de: V= 4.2 m/s, que
aproximadamente son similares.
p = l/v9=91.12 kg/m3
Por lo tanto, las pérdidas de presión en el evaporador son,
41 = (91.12 )(0.00276)(0.6/0.02)- = 74.03 Pa (4.43)2
2
Ap==0.7403X103 bar. y si la ps= 2.045 bar entonces p1= 2.04425 bar.
Se considera que la temperatura no aumenta en más de 0.5 "C en la temperatura de saturación [ 11.
Tg= -12 "C TI= -1 1.5 "C
Ahora por medio de tablas para el Freón - 12, se obtienen los valores de las propiedades del vapor sobrecalentado.
Tabla 4 VI [m3/kg] 0.084421 hl FkT/knl 183.395
I sl[kJ/(kg K)] 10.70856 1 Estado 1 *.
Ahora, se calculan las caídas de presión en l a s válvulas de aspiración y
descarga del compresor de aha presión.
Para tales efectos, las válvulas son consideradas como del tipo de retención o
de obturador. Tal que, K= 600 j
Se considera que la velocidad de salida es igual a la de entrada, por lo tanto,
v=4.43 I d s .
V =0.001393 m3/s
46
.
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de n$kigemción
4(0.001393) Re = = 86593.76 ~(0.02)(0.012x10-3)(0.08442)
Como Re2300, por lo tanto se tiene flujo turbulento.
0.079 1 f = 7 = 0.0046 Rid
y K = 600 (0.0046)=2.76
por lo tanto, la caída de presión en la válvula de aspiración es,
(4.43)2 Ap = (2.76)(11.845)- = 322.57 Pa
2
Ap= 3.2257XlO” bar.
por lo tanto, si p1=2.04425 bar, entonces la presión a la entrada del compresor
una vez que ha hecho la aspiración es, PI*= 2.04102 bar.
Considerando a la caída de presión como isoentálpica, entonces
hl*= hi= 183.395 kJkg
Para estas condiciones tenemos en el estado 1 *, vapor sobrecalentado,
Tabla 5 -1 1.5 O. 08442 1
Para el estado 2* se considera el mismo efecto que en la aspiración del compresor.
p2= 4.163 bar y Ap=3.2257X10‘3 bar
y tenemos que pz*=4.1668 bar. y %*=0.70856 WAcg K
47
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeracibn
para estas condiciones tenernos, vapor sobrecalentado,
Tabla 6 Tzs* "C 16.46
0.04333 h2,* kJk 196.163
Ahora, introducimos la eficiencia del compresor qsic=0.77 y,
- 17,c - h z S *-4 * dedo,,& h, * = 199.977 W / kg
h, *-h, *
y con la p2*=4.1668 bar, se tiene vapor sobrecalentado,
Tabla 7
0.04459
Estado 2.
En el estado 2, corno se tiene una caída de presión se considera que es un
proceso isoenthlpico h~=h2*=199.97 kTkg y con
p4=4.163 bar, se tiene vapor sobrecalentado,
Tabla 8 22.24 0.04462 0.72171
Estado 7.
En el estado 7 como se tiene una cámara de separación, sale únicamente vapor
saturado seco (x7 = l), con UM p7= 4.163 bar y,
0.04166 191.363
48
Lic. Ingenieda en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeracih *
Est& 3.
Para el estado 3, se realiza el siguiente balance,
En la cámara de mezclado 4 = (1 - m)h, + mh,
En la cámara de sepurdora h6 = mh, + (1 - m)h, hmnd = 9.79 kg/min
m=----" mcond 1 = 0.2846 movap
sustituyendo valores se tiene & = 197.52 Wlkg
y como p3 = 4 bar, entonces se tiene vapor sobrecalentado,
Estado 3?
Usando la Tabla 3 a una T3= 18.56 "C, se tiene una viscosidad de p = 0.014 cp = 0.014X10" kg/m s.
Tenemos el flujo másico en el condensador.
m, = 9.79kg/min =0.16316kg/s
Y el flujo volumétrico es,
V = (9.79)(1/60)(0.04384) = 0.007154m3/s
. I
i .
. .. ..
4(0.007154) n(0.02)(0.014X10-3)(0,04384)
Re = = 738389.85
49
Lic. Ingeniería en Emgia Capítulo 4. Ciclos de rehgeración
Por lo tanto, R ~ 7 3 8 3 8 9 . 8 5 flujo turbulento, entonces
f =". - 0.00269 Re ?4
K=(600)(0.00269)=1.6 19
V = VIA = 22.77 m/s
y p= 1 1~3~22.8073 kg/m3
y la pérdida de presión en la aspiración en el compresor de alta presión es,
Ap = (1.619) (22.8073) = 9574.42 Pa (22.77)2 2
Ap=0.09574 bar y si, ~ 3 4 . 1 6 3 bar, entonces m*= 4.067 bar, se considera un
proceso isoentálpico, h3*=h3= 197.52 kJkg y se tiene vapor sobrecalentado,
Est& 4*.
En el estado 4* , p4=8.477 bar, se considera el mismo efecto que en la válvula
de aspiración,
Afl.09574 bar, por lo tanto, p4*=8.5727 bar y &*=0.71468 k,J/(kg K), se
tiene vapor sobrecalentado,
Tabla 12 T4s* "C] 48.53
bs* kJk 21 1.34 0.02207
Tabla 12
0.02207 21 1.34
Lic. Inngenieria en Energía Capítulo 4. Ciclos de refiigeracibn
Utilizamos la eficiencia del compresor (qsic=0.77),
22,5936 por lo tanto, se tiene vapor sobrecalentado, para p4*=8.5727 bar
Tabla 13
0.02272 v4 -" . "~, 2 ~ ~ 4 * [ kJ/(kg K )] 10.72739
Estado 4.
p4=8.477 bar, y se considera un proceso isoentálpico. h4=215.46 Hkg, por
tanto tenemos vapor sobrecalentado,
Tabla 14
0.023008
Estado 5.
V = (0.16316)(0.023008) =0.003754m3/s
md = 9.79 kg/& =0.16316 kg/s.
El condensador es un intercambiador de calor, el cual está compuesto de tubos,
al pasar el fluido por el arreglo de tuberías, se produce una caída de presión, por lo
tanto se necesitan unos datos como;
Diámetro de los tubos en el condensador, d
51
.
Lic. Ingeniería en Enagia Capítulo 4. Ciclos de refrigeración i
Longitud de los tubos en el condensador, 1
Flujo en el condensador, m M o d
En este caso se usan los valores de,
d= 0.02 m
I= 0.6 m
m-,, = 9.79 kg/min V = VfA = 11.95ds
El programa simulador calcula la potencia en el compresor de alta presión es
de PAp(rea1)=2.92 kW y se tiene el diámetro de la tubería por la cual circula el
refrigerante en el evaporador d 4 . 0 2 m, y como dato la temperatura de
evaporacih TP=-l2OC. Por. medio de la literatura [l], usando el diagrama de
velocidades para el Freón 12, se tiene una velocidad de: V= 8 m/s en donde ya se
presentan diferencias, pero la tendencia es la de aumentar la velocidad al
suministrarle más potencia.
Entonces podemos calcular el número de Reynolds,
Re" 696778.28 flujo turbulento, por lo tanto,
f =-- - 0.00273 Rex Aplicando la formula de Darcy,
= pf(-)- o 2 L v2 = (43.462)(0.00273)(") 0.02 0.6 (1 1.95)2 2 = 254.88 Pa
Y,
Ap=0.0025488 bar.
sí p~=8.477 bar con líquido saturado seco.
52
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de ref i igerac ih
Entonces, p5*=8.47445 bar.
Tabla 15 34.98
Est& 6.
h ~ 4 4 . 8 0 2 k J k g
hg=191.36 kJ/kg
sí,
h -hf x, = = O. 1683
h* -h,
vg= O. O4 1665 m3kg VF O. 00073 19 m3kg
sg=0.691 84 kJ/(kg K) ~ 0 . 1 7 3 1 1 3 kJ/(kgK)
v6'(vg-vf)%+vF 0.007624 &/kg
s6=(Sg-%)%+sf== 0.2604 kJ/(kg K) %=o. 1683 T6= 9.42 "c
es Termodinámic
Lic. In~eniería en E n d a Cadtulo 4. Ciclos de refrigeración
El Coeficiente de operación es:
COP= 4.014
En la Figura 24, se muestra el diagrama presión - entalpía del ciclo
45 D i a m a p-h
, 40
35
30 25
'8 2o b: 15
10
S
O O 1 50 250
Figura 24. Diagrama Presión - Entalpía del ciclo 1.
Para poder apreciar las caídas de presión debido a la ficción del fluido con la
tubería del evaporador y el condensador, se muestra en las Figuras 25 y 26,
respectivamente.
.." . 36 66 '16 06 111 l i 156 1 7 6
l4kJMI Figura 25. Caída de presión en el evaporador
54
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refngeración
Las Figuras 25 y 26, son un aumento de la Figura 24, para los procesos de
evaporación (9-1) y condensación (5-5*), respectivamente. Estas caídas de presión
se deben al diseño de cada dispositivo, por ejemplo, si el área de transferencia de
calor es más grande, mayor será la caída de presión, también tiene mucho que ver
el arreglo geométrico que tenga ésta, como la forma de un serpentín o
simplemente cilíndrica recta.
Otro parámetro importante es la fiicción del fluido con el material, la cual es
determinada a través del número de Reynolds, con el factor de fiicción, para
después aplicar la formula de Darcy, para cuantificar las caídas de presión.
Figura 26. Caídas de presión en el condeasador
Las caídas de presión en las válvulas de aspiración y descarga en el compresor
de baja presión se muestran en las Figura 27 y 28, respectivamente.
55
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
2.01
P [ W
2
1.99 181 181.5 182 1825 183
L h[H/kgl Figura 27. Caída de presión en la válvula de asp (C-BP)
donde 1 **, representa al estado 1 , despreciando las caídas de presión en el
evaporador.
-.-- . 199 199.5 199.97
4kJ/kgl Figura 28. Caida de presión en la válvula de desc (C-BP)
Las caídas de presión en las válvulas de aspiración y descarga en el compresor
de alta presión se muestran en las Figuras 29 y 30, respectivamente.
56
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refngeración
196 197 198 199
hCu&?l Figura 29. Caída de presión en la válvula de asp (C-AP)
219 2 19.2 219.) 2195 219.7 2 19.9
h[kJ4l
Figura 30. Caída de presión en la váIvula de desc (C-AP)
Estas caídas de presión se presentan debido al espacio muerto que tiene al final
de la compresión, entre el pistón y la cabeza del cilindro. De la misma forma en la
aspiración, el cilindro no puede llenarse por completo con los vapores "nuevos" (o
de admisión), ya que existen vapores en el espacio muerto y es por esto que en la
aspiración y descarga de los vapores se tengan las caídas de presión.
El espacio muerto es necesario en todos los compresores de tipo alternativo, ya
que con esto se evita que golpee el pistón con las válvulas, sin embargo, este debe
tener el volumen lo más mínimo posible.
57
.
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refiigeración I
Los datos mostrados en las gráficas anteriores, pertenecen a valores reales,
obtenidos a partir del ciclo, que se muestra en la Figura 22. Para poder
observarlos, se tuvo que hacer un acercamiento de cada proceso en donde se
analizan las pérdidas por presión.
Como se puede observar las caídas de presión en el compresor de alta presión
son mayores que en el de baja presión, debido a que tiene un mayor esfuerzo para
elevar la presión y por lo mismo las válvulas quedan abiertas durante el tiempo
que ese esherzo es llevado a cabo, a si mismo se tienen las caídas de presión,
tanto el la aspiración como en la descarga en el compresor de alta presión.
Para ver que potencia consume cada compresor realmente, tomando los datos
cuando se resuelve el ciclo sin pérdidas de presión y se compara tomando en
cuenta l a s pkrdidas de presión en las válvulas de aspiración y descarga en los
compresores y tenemos los siguientes datos.
h1=182.173
[Hkg] h4=213.82 h2=198.107 [kJ/kg] h3=196.97
Sin tomar en cuenta las pérdidas en las válvulas del compresor,
P~p=Ijl,,,, (h~-h~)-(0.127)(198.107-182.173)=2.023 h.
P~p=m,, (f4-h3)=(0.1631)(213.82-196.97) = 2.748 kw.
Con pérdidas en las válvulas del compresor, efectos reales.
P~p(~erl)=Ih, (hz*-hl*)=(O.127)(199.977-183.39) =2.106 h.
P~p(~d)=m& (h4*-h3*)=(O. 1631)(215.46-197.52) = 2.92 h.
Como se esperaba, se consume más potencia, considerando los efectos reales.
58
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refiigeracibn
4.2 Segunda Ley
Según Kelvin-Planck, dice que, toda transformación cíclica cuya única
finalidad sea absorber calor de un cuerpo o &ente térmica a una temperatura dada
y convertirla integramente en trabajo, es imposible.
Según Clausius, toda transformación cíclica cuya única finalidad sea transferir
una cierta cantidad de calor de un cuerpo fiio a uno caliente, es imposible.
Exergia
La Exergía (o disponibilidad) es el trabajo máximo disponible que se genera al
llevar un sistema al equilibrio con el estado muerto, donde éste depende de las
condiciones del medio ambiente o sistema de referencia. Debido a que si el
sistema está a diferentes condiciones que a las del ambiente, existirá la posibilidad
de producir trabajo y cuando el sistema tienda al equilibrio con el ambiente, dicha
posibilidad tenderá a disminuir.
En el universo no existen los procesos reversibles, para analizar a los procesos
irreversibles, se parte de los procesos reversibles, utilizando la máquina de Carnot.
(Figura 3 1)
W
Figura 3 1. EsquemaM6n de una mkpb tdrmica
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refngeración
Para la máquina reversible
Si renombramos
QA => Calor absorbido = Qz y TA=T2
- QB => Calor cedido = Q1 Y TB=T~
Para la máquina irreversible, usando el teorema 1 de Carnot, que dice: Ninguna
máquina térmica operando en ciclos entre fbentes térmicas con temperaturas fijas,
V M l < VMR tiene una eficiencia mayor que la de una máquina reversible operando entre las
mismas fuentes térmicas. Es decir,
Sustituimos el resultado de la última ecuación en la desigualdad, y se tiene
Si,
(?'A => Calor absorbido = Qz y TA=TZ
- Q'B => Calor cedido = Q1 y TB=T1
60
Lic. Ingenieria en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
Generalizando para procesos c.i:Iicos reversibles e irreversibles, se tiene,
2 2 5 9 3 6 En este caso se explica con un ciclo de Carnot, el cual tiene dos isotermas y dos
adiabáticas, A la expresión anterior se le conoce como la desigualdad de Clausius,
donde la igualdad indica que es un proceso reversible y la desigualdad cuando es
un proceso irreversible.
4.3 Cálculo de Exergía
Al producir trabajo un compresor (sistema), siempre existirá diferencia entre la
energía suministrada y la proporcionada por el compresor. Esto se debe a que se
tienen pérdidas por fiicción o rozamiento en el mecanismo del compresor,
pérdidas que de ninguna manera podrán ser recuperadas. A esto se le conoce
como las irreversibilidades del sistema. La utilidad potencial que se tiene al final
del proceso es menor que la que se tenía al inicio, damos por hecho que una parte
de esa utilidad potencial se ha destruido, en otras palabras representa una pérdida
de exergía.
El objetivo de realizar un análisis exergético es el de identificar las causas de la
destrucción de la exergía, a s í como cuantificarlas, con el fin de hacer una mejor
selección los dispositivos a usar.
Es necesario utilizar un Ambiente de referencia, que se supone en un estado de
equilibrio termodinámico completo. El ambiente proporciona un nivel de
referencia natural para la determinación de la energía utilizable.
Cuando el sistema llega al equilibrio termodinámico completo con el ambiente,
se dice que se encuentra en estado muerto.
Lic. Ingeniería en Energía capitulo 4. Ciclos de refigeración I
Apiicamos primera ley,
q= b-h + e ....................... (1)
ho= Entalpía del estado de referencia,
La energía mecánica e (3), obtenida será máxima cuando el proceso sea
reversible. En particular se tornará el calor q reversiblemente a la temperatura To del ambiente.
qw = TO(%+) .................... (2)
so= Entropía del estado de referencia.
Sustituimos la ecuación 2, en la ecuación 1,
e + h-h = To(~-s ) .......... ( 3 )
Agrupando términos,
(h- TOS)- (h, Taso) = b ...... (4)
en donde b, representa la fbnción de estado exergía específica.
4.4 Balance Exergético, Irreversibilidades
Tomamos nuestro sistema de referencia, que puede ser cualquiera, para
nuestros cálculos usaremos,
po= 2 bar
To= 20 "C
Con base a los balances realizados en 4.1 y partiendo de la ecuación 4, y
utilizando y a, como los valores del estado de referencia, obtenemos la Tabla
17 y complementamos
62
Lic. Ingenieria en Energía Capítuio 4. Ciclos de refrigeradm
. I .
4.4.1 Compresor y motor elictrico
Realizando un balance de la segunda ley en el sistema del compresor y motor
eléctrico en el lado de baja presión, tenemos,
qelec= 0.9 q ~ c = 0.77 [9] y [lo]
I c ~ - ~ = Pds + m- (el*-**)
Pd,= (hz*-h1*)/60qdmqoic
mw,,, = 7.621 kg/min
P,4,=3 .O39 h. EQnp-m= 3.039 + (0.127)(1.0281-13.769)=1.421 k w .
Las pérdidas electromecánicas,
bed= Paw (1- sic ) = (3.039)(1-(0.77)(0.9))= 0.933 kw
La irreversibilidad final será,
I ~ ~ m p - ~ - I d ~ = ( 1 . 4 2 1 -0.933)=0.4878kw.
Ahora en el compresor de alta presión,
I c o m p - ~ = Pel, + m- (e3*-e4*)
63
Lic. Ingeniería en Energía Capitulo 4. Ciclos de refigeración
Pel== (h*'h*)/60~elecqsic
m m d = 9.79 kg/rnin
Pe1,=4.22 k w .
Eomp-,m=4.22 + (0.1631)(13.751-27.384)=1.90 h.
Las pérdidas electromecánicas,
Ieldt= Pel, (1- Veleqsic ) = (4.22)(1-(0.77)(0.9))= 1.29 kw
La irreversibilidad final será,
If= IC0mp-m - Lla = (1.90 - 1.296) = 0.608 k w .
Por lo tanto las irreversibilidades en los compresores es la suma de cada uno,
entonces, IC= (1.421+1.90) = 3.325 k w .
4.4.2 Condensador
4.4.3 Evaporador
Lq=( 1 -To/Tf)Q+ m svrp (&-el)
Lv=(-l .4282+2.2015) = 0.7732 k w .
4.4.4 En la caimara de mezclado
I, =m7e7 + mqe2 - mde3, pero m 7 = m& -mv = (9.79 -7.62l)kg/min
m 7 = 2.169 k g / d ~ 0 . 0 3 6 1 5 kg/s
IC@ (0.50249+1.7488 - 2.2437)kw = 0.00759 k w .
64
Lic. ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeraci6n
4.4.5 En la cámara de separación
I,, = mde, -m7e7 -m,,e,
ICS= (3.0147 - 0.50249 - 2.46454) = 0.04767 k w .
4.3.6 En las válvulas de expansión
En la válvula de expansión (AP)
En la válvula de expansión (ZIP)
1 v . c 0.2296 kw.
En las válvulas de expansión se tiene, IF (O. 1324W.2296) = 0.362 kw
Tabla 18 Irreversibilidades del sistema.
Dispositivo Irreversibilidades (kw) Compresor (BP y AP)
O. 7732 Evaporador
1.2238 Condensador
3.3259
Cámara de Mezclado 0.00768
Cámara de Separación 0.0477 Válvulas de expansión (BP y AP) 0.362 Efecto refrigerante 1.5233
-
65
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
IRREVERSIBILIOADES (kw)
11% J 17%
I
Figura 32. GrXica de sectores para las irreversibilidades d e l sistema.
En la Figura 32 se esquematiza de manera clara los dispositivos en donde se
tiene mayores pérdidas debido a las irreversibiiidades del sistema.
Fácilmente, podemos ubicar el dispositivo donde se tienen más pérdidas, que
son los compresores el 45 %, ya que en todo el proceso de compresión y
expansión se tiene rozamiento interno debido a la eicción de los pistones con los
cilindros, y esto causa que no se pueda recuperar la exergía que se tenia en un
inicio. En segundo lugar está el condensador con el 17 %, seguido por el
evaporador con el 11 YO, las válvulas de expansión y la cámara de separación y de
mezclado son l a s que representan el menor porcentaje en irreversibilidades.
En la Figura 33, se muestran resultados que heron obtenidos del progama
simulador, para diferentes condiciones de operación, con una carga térmica de 5
toneladas de refiigeración, para el ciclo l .
En la gráfica se muestra, que si se mantiene la temperatura de condensación
constante y variamos (aumentando) la temperatura de evaporación, el COP
66
Lic. hgemería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refhgeración
aumenta, este comportamiento es el mismo para cada temperatura de evaporación
mostrada en la figura. Esto es muy importante, ya que la temperatura del
ambiente, en períodos cortos se considera como constante, y si se requiere variar
la temperatura de nuestra cámara de refrigeración, esta gráfica nos sirve para
tomar una referencia sobre el comportamiento que vamos a tener con nuestro
ciclo. Un ejemplo práctico es la refiigeración o congelación del camarón, según
sea la necesidad que se tenga, aquí, nuestra temperatura de evaporación varía y la
temperatura de condensación depende de la temperatura del ambiente y ésta se
mantiene constante.
I 121 Tmnd(*Q
En la Figura 34, se muestran resultados de las potencias que heron obtenidos
del programa simulador, para el ciclo l .
Esta gráfica es muy útil, ya que, de igual forma si tenemos la temperatura
ambiental constante y queremos enfriar a una temperatura que podemos ir
variando, al mismo tiempo sabremos cuanto están consumiendo los motores
eléctricos de los compresores y esto se refleja en el consumo de energía elktrica
para una empresa. Como se aprecia en la Figura 34, para una temperatura de
condensación de 25OC, entre mhs se desee disminuir la temperatura de la cámara
67
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refiigeración
de refiigeración, mayor es el consumo de los motores, de forma inversa si la
temperatura se acerca a la del ambiente, el consumo es menor, porque se realiza
menos trabajo para llevar a cabo la remoción de calor
Figura 34. W c a de la temperatura de evaporación & potencia
La otra temperatura de condensación que se presenta en la Figura 34 de 6loC,
también nos hace ver que cuando la temperatura del ambiente es mayor, se tiene
que realizar un trabajo mucho mayor, para poder en6riar a temperaturas bajas.
Como referencia a este caso, tenemos que en la Ciudad de México, se tienen
temperaturas promedio de 25 "C, mientras que en Veracruz existen lugares como
la Ciudad de Minatitlán en donde las temperaturas promedian los 35 'C. Esto
quiere decir, que consumen más energía eléctrica los motores de los compresores
en Minatitlán que en la Ciudad de México, para una misma temperatura dentro de
la c6mara de refiigeración (y carga térmica) en ambos casos. También sirve como
comentario, el que se consuma más energía eléctrica por concepto de aire
acondicionado en estas zonas cálidas, por que el tirante térmico (diferencia de
temperatura ambiente y de refrigeración) es mucho mayor.
68
Lic. Ingeniería en Energia Capítulo 4. Ciclos de refngeración
4.5 Diagramas de Grassmann (Irreversibilidades)
La representación de las pérdidas de exergia se interpretan de manera rápida y
fácil con los diagramas de Grassmann. El ancho de la banda es una medida de la
magnitud de flujo de exergía en la entrada o salida de una sub-región en
particular. Cada sub-región esta representada por una caja rectangular.
En los siguientes diagramas se presentan las pérdidas en el compresor,
condensador, válvulas y evaporador, que son los dispositivos en donde se
puntualizan más las irreversibilidades.
Pdmcia Suoninistrsdr
Flujo de Exagio aprovechada
21.7 Oh
J-
Pkdidas 16.5 Yo
8 i
4 ~ ~ x ~ = 3 1 . 5 7 ! ! k 5 Tn de refkigeración
a
Figura 35. Balance exergético para el ciclo 1
69
Lic. Ingenieria en Energía CaDítdo 4. CicIos de refrimxación
P&didas
Flujo de Exergía aprovechada
19.4 %
M
3 5 5 Tn de refiigeracihn a 4J
qE?F33.47% a
Figura 36. Balance exergdtico para el ciclo 2
Flujo de Exngía aprovgfiada
17.7 Yo
Pckdidp~ 13.5 Yo
Figura 37. Balance exergdtim para el ciclo 3
Lic. Ingeniería en Energía CapÍtulo 4. Ciclos de refrigeración
Figura 38. Balance exergético para el ciclo 4
P“
.98 %
5 Tn de refkigemción ‘Tl~ui=29.81%
Figura 39. Balance exerg&co pera el ciclo 5
71
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refngeración
Pdmcia suministrada
Flujo de Exagia aprovechada
23 ?'o
Pkdidas 13 ?'o
5 Tn de refxigeración 'llm=31.21%
Figura 40. Balance exergdtica para el ciclo 6
PdenCir, Suministrad.
Flujo de Exegia a p r o V e d l 8 d a
' 28%
PMidas 13 %
5 Tn de refxigeración T'lm=34.88??
Figura 4 l. Balance exergdtiw para el ciclo 7
i
72
Lic. Ingeniería en Energía Capítulo 4. Ciclos de refrigeración
Para las misma condiciones de operación, probamos y obtenemos las
irreversibilidades de los demás ciclos.
De las Figuras 35-41 se puede observar que en los ciclos que no cuentan con
un intercambiador de calor, la eficiencia exergética es mayor de 30% a excepción
del ciclo 3 donde la ?7Em=3 I .62 %. Esta disminución en la eficiencia es debido a
que el intercambiador funciona bajo el mismo principio que un condensador o un
evaporador, que desde luego, también son intercambiadores de calor y por lo
mismo se tienen pérdidas en la trasferencia de calor.
El ciclo 7, es el que presenta mayor eficiencia exergéttica con q~==34 .88 %,
siguiendo el ciclo 1 con T)EX=3 1.57 %, recalcando que son los que tienen el
mayor COP operando a las mismas condiciones y de hecho son los dos ciclos los
que requieren de menos flujo mbico en el evaporador y condensador y por
consiguiente un menos consumo de energía en los compresores.
Los ciclos 4 y 5 hncionan de manera similar en cuanto a los resultados
obtenidos, requieren de mucho más flujo másico para operar las mismas
condiciones y tienen el COP más bajo de todos los ciclos y tambien la eficiencia
exergética más baja q~x=29 .8 1 %, porque tan solo en el compresor y en el
condensador se tiene cerca del 60 % de las irreversibilidades del ciclo.
En el ciclo 3, en donde se tiene más irreversibilidades y por lo tanto menos
exergía aprovechada, esto es, debido a que se tienen tres válvulas de expansión y
un intercambiador de calor, hacen aumentar potencialmente las irreversibilidades
del ciclo.
Como una mejor tercera opción, está el ciclo 2, que presenta un COP de 3.93 y
q E ~ ~ ~ 3 3 . 4 7 % y un ajo consumo de energía en los compresores debido a que la
73
Lic. Ingeniería en Energía Capitulo 4. Ciclos de refrigeración ri
diferencia en los flujos del compresor de alta y baja presi6n es pequefia, se
requiere menos potencia del compresor de alta presión para la compresión de los
vapores. 2 2 5 9 3 6
Lic. Ingeniería en Energia Conclusiones
CONCLUSIONES
En este trabajo se realizaron los cilculos de las caídas de presión en el evaporador
y condensador, así como en las válvulas de aspiración y descarga del compresor de
alta y baja presión. Dando una caída de presión más pequeña en el compresor de baja
presión que en el de alta, y esto se debe a que se tiene un flujo volumétrico de
refrigerante mayor en el condensador que en el evaporador, y para esto requiere
mayor presión de descarga y aspiración, y con esto mayor fberza necesaria para poder
mover a las válvulas.
Aún así, es evidente el porqué se desprecian estas caídas de presión, por lo tanto el
uso de un ciclo ideal en donde no se toman en cuenta estas caídas es común y válido,
puesto que los resultados son aproximadamente iguales. De igual manera las caídas
de presión en el evaporador y condensador son muy pequeíías.
Mediante el uso del simulador, se operaron los ciclos bajo las mismas condiciones
de operación con el fin de poder hacer una comparación. Las irreversibilidades en los
siete ciclos presentan un mayor porcentaje en los compresores, debido a que se tiene
rozamientos internos de los pistones con los cilindros. Todo este tipo de rozamiento
genera calor (por fricción) que no puede ser recuperado. Después está el condensador
y el evaporador, en donde las irreversibilidades pueden ser a la fricción que tiene el
refrigerante al fluir por el arreglo de las t u b e r í a s . En las válvulas de expansión si se
analiza por primera ley, nos dice que no existen pérdidas de energia, pero con el
análisis exergético se observa que existe destrucción de exergía. Para la cámara de
separación y de mezclado, l a s irreversibilidades son consideradas casi nulas, según
resultados obtenidos.
Al realizar la comparación de los ciclos con el uso del programa, el ciclo siete es el
que presenta mayor índice en el coeficiente de operacih y también en la eficiencia
exergética (tomando el mismo sistema de referencia), esto se puede concluir debido a
que es el que presenta un mayor efecto refrigerante.
75
Lic. Ingeniería en Energia Bibliografia
Bibliografia
[ 11 Rapín, Pierre, 1992, Vol I y 11, "Instalaciones frigoríficas"
Ed. Marcombo
[2] Wark, Kenneth Jt., 1998, "Thermodynamics"
Ed. Mc Graw-Hill
[3] Crane, 1992, "Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberias"
Ed. Mc Graw-Hill
141 Edward G. Pita, 1998, "Principios y sistemas de refrigeración"
Ed. Limusa
[S] Faires, Virgil Moring , 1982,6' Edición, "Termodinámica"
E d . mHA
[6] Eduardo H. Goriber, 1980, "Fundamentos de aire acondicionado y
refrigeración"
Ed. Limusa
[7] HN. Shapiro, 1994, Vol. I y n, "Fundamentos de termodinámica técnica"
Ed. Reverté
[8] Paul A. Hilton, "Refi-igeration Laboratory Unit" HETON
[S] Javier Gutiérrez A. "Comparación energktica entre los refiigerantes R-134a y
R-22 en los sistemas de refrigeración"
Artículo, Instituto Tecnológico de Acapulco.
77
Lic. Ingeniería en Energía Bibliografa
[lo] Raúl Lug0 Leyte, "Análisis exergético de una planta de retiigeración por
compresión de vapor"
Artículo, Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapalapa.
[ l 11 Arturo G. Vivar, 2000, "Análisis energktico y exergético de cicIos de
refrigeración por compresión de vapor"
Seminario de proyectos, UA"1
[ 121 Javier Gutiérrez A. "Efectos de la sustitución de reegerantes halogenados
por los refrigmantes hidrofluorocarbonados"
Tesis de Maestría, IPN ESIME Zacatenco
78
APENDICE A
I E nt al p i a
Diagrama p h para el ciclo 1
Esquema d e l ciclo 2
I I2 agrama p h
Entalpia
Diagrama p h para el ciclo 2
I
Esquema del ciclo 3
'O c
cn a n
- L
Enta l p í a
Diagrama p h para el ciclo 3
Diagrama p. h
I / )
Esquema del ciclo 4
DI agrama ph
Ental pía
Diagrama p h para el ciclo 4
Esquema d e l ciclo 5
Q c
I -
63 (u
n"
c Q
n" 63 (u :I 4
Entalpia
Diagrama p-h pera el ciclo 5
V álvula de expansión B
I Esquema d e l ciclo 7
Ental p ía
Diagrama p h para el ciclo 7
APENDICE B
Para un proceso de compresión adiabática de dos etapas, donde el gas es
enfriado a la temperatura de entrada entre las etapas, el trabajo tebrico esta
dado por;
Se requiere que el trabajo sea mínimo y optimizamos la presión intermedia.
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA
UNIDAD ETAPALAPA
D I V I S I O N DE C I E N C I A S B A S I C A S E I N G E N I E R I A
SEMINARTO DE PROYECTOS I Y I1
LIC. EN INGENEMA EN ENERGIA
MANUAL DEL PROGRAMA SIMULADOR
ANALISIS ENERGETIC0 Y EXERGETICO DE CICLOS DE REFRIGERACION
PRESENTA
ALUMNO: ROMERO ROMO GERARD0 MARTIN
ASESOR: M. en C. RAUL LUG0 LEYTE
abril de 2001
Indice
A . 1 Entrada al programa ............................................................................................... 1
A.2 A cerca del simulador ............................................................................................ 1
A.3 Equipo integral ...................................................................................................... 1
A4 Ciclos de refrigeracton 2 .. ...........................................................................................
A . 5 Puesta en marcha .................................................................................................. 2
Seleccron de ciclos 3 . . .................................................................................................
Ingreso de datos ...................................... .. ..................................... .. .. ................. 4
Tablas de resultados ............................................................................................. 5
Salida del programa ............................................................................................ 5
Observaciones ....... .. ... .. ............................................ .. .. ............................................. 6
El programa está elaborado bajo una base de datos de Microsoft Excell, con
aplicaciones de Visual Basic, lo que permite al usuario irse guiando por medio de una
serie de menús o cuadros de diálogos que van apareciendo conforme va haciendo su
selección.
A.l Entrada al programa
Se puede abrir desde el explorador de Windows, oprimiendo con un doble click del
mouse sobre el archivo, o bien desde inicio, ejecutar, explorar la unidad donde se
encuentre el programa (d: ), y entrará directamente, previamente seleccionando el
archivo Programa-Refexe. Posicionará el puntero del mouse en el Link, y aparecerá un
puntero en forma de una mano, de esta forma ya puede hacer uso de las herramientas
del programa.
A.2 A cerca del simulador
Contiene información sobre la fecha de elaboración, y tema del programa. A s í como
información del programador y contacto por e-mail, para dudas o sugerencias.
A.3 Equipo Integral
En esta opción se cuenta con la clasificación de los diferentes tipos de dispositivos,
en donde se selecciona por medio del gráfico (Fig 1).
1
Figura l . Equipo integral
Para poder accesar a la información de cada dispositivo, basta con posicionar el
puntero de mouse, por ejemplo en el evaporador, asegurándose de que el puntero sea
un signo e interrogación, con esto se oprime un click y se accesa de manera Una
vez que ha accesado aparecerán los tipos de evaporadores y tendrá que hacer una
selección con el mismo mouse, y entonces aparecerá en forma de gráíico el evaporador
seleccionado.
El mismo procedimiento se realiza con los compresores, condensadores y válvula de
expansión.
Para regresar a la presentación principal, basta con oprimir, regresar.
A.4 Ciclos de refrigeración
La herramienta más herte del programa es esta sección, donde se ingresa con solo
oprimir el botón, que aparece en el menú principal, el cual aparece después de la
presentación del programa. (Fig 2).
2
Figura 2. Botón de acceso a la herramienta
A.5 Puesta en marcha
Una vez que se abre el archivo, se activa automáticamente el programa, ai oprimir el
botón Ciclos de Refrigeración aparece un menú para accesar a cada ciclo (Fig 3 ) .
En esta opción aparece un menú de selección del ciclo que desea utilizar, Figura 3
Como se observa en la Figura 3, es un menú con dos hojas de selección en donde la
primera se llama "Ciclos 1-4", la segunda "Ciclos 5-7", las cuales se pueden seleccionar
con el mouse. Una vez seleccionada una hoja (Ciclos 1-4, por default), ahora puede
seleccionar un ciclo. ¿Cómo?, desplazandose por medio de la barra vertical para poder
visualiiar los demás ciclos. ¿Ya se decidió?, ahora seleccione el ciclo con tan solo
posicionar el puntero del mouse (y se convierta en un signo de interrogación),
seleccionamos por ejemplo, el ciclo 1, entonces aparece otro menú. (Fig. 4).
3
Figura 4. Menú de ingreso de datos
En la Figura 4, de igual manera se presentan dos hojas de selección. "Introducir
Datos", donde puede dar las condiciones de operación del ciclo, el ingreso de los
valores se realiza, activando la casilla con el mouse y capturando los valores numéricos
(NOTA: los (.) puntos deben ser introducidos por comas (,), por cuestión de la
configuración de los teclados, en español, para Windows), desplazándose por medio de
la barra vertical, para ingresar el resto de las variables.
Una vez que esta de acuerdo con los valores ingresados oprima el botón Aceptar
valores (del mismo menú), con esto la base de datos se actualiza y realiza un proceso de
tipo iterativo. Para ver la tabla de las propiedades termodinámicas de los estados,
seleccione la siguiente hoja "Tabla de estados", y oprima el botón Actualizar con esto
se actualiza el menú que se presenta y entonces se pueden ver los resultados obtenidos,
(Fig. 5).
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Figura 5. Tabla de propiedades t e r m o d i M a
Si están introduciendo valores y se quiere recordar el esquema del ciclo, simplemente
oprima el botón Ver esquema.
Para ver los demás datos desplácese con la barra vertical. El botón Ver gráfica ph,
muestra la gráfica p-h, el botón Ver irreversibilidades, muestra en una gráfica de tipo
sectores o pastel, en forma de porcentaje las irreversibilidades en cada dispositivo.
El mismo procedimiento se sigue con el resto de los ciclos, la estructura del diseño es
similar.
Para salír del programa oprima Regresar hasta llegar al menú principal, oprima Salir
o el botón X que aparece en la parte superior derecha de todos los cuadros de diálogo,
o bien oprima Alt+F4, esta opción igualmente deshabilita cada cuadro de diálogo, y
puede usarla para salir paso a paso hasta salir completamente del programa.
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OBSERVACIONES
Para un buen hncionamiento del programa se requiere:
e Procesador Pentium I 166 Mhz o superior
32MbenRAM
o 20 Mb disponibles en disco duro.
o Office 98 o superior
0 CD-ROM, para cargar el programa
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