Termodinámica Aplicada: Ciclos de Refrigeración y Bombas de Calor

Universidad Rey Juan Carlos

Termodinámica Aplicada: Tema 6. Ciclos de refrigeración

Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática (2º curso)

1. Introducción
2. Ciclo de Carnot invertido.
3. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
4. Ciclos de refrigeración de gas.
5. Sistemas de refrigeración por absorción.
6. Bomba de calor.

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6.1. Introducción

Refrigerador: dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. No es posible el paso de calor de un cuerpo frío a uno caliente sin el consumo de trabajo.

Foco caliente T, Q 1 Q2 > 0: calor absorbido del foco frío Q= AU +W => Q +Q2 =W W < O: trabajo consumido Q < O: calor cedido al foco caliente Q1 = Q2 + W refrigerador W Q2 2 Rendimiento o eficiencia (s): cociente entre el la cantidad de calor extraída del foco frío y el trabajo consumido. Foco frío T2 Bomba de calor: Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura. 3

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6. 1. Introducción

El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja al extraer el calor de él. La descarga de este calor a un medio de temperatura alta es una parte necesaria de la operación, no es el propósito.

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura. Esto se logra al absorber calor de una fuente de baja temperatura, como el agua de un pozo o el aire exterior frío en el invierno, y al suministrar este calor a un medio más caliente, como una casa .

2 T mayor Bomba de calor mayor Objetivo M! 4 Refrigerador Ambiente frio

El desempeño de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP), por sus siglas en inglés (coefficient of peformance), definido como:

COPR = Salida deseada Entrada requerida Efecto de enfriamiento Entrada de trabajo

Salida descada Efecto de calentamiento : COPBC = Entrada requerida Entrada de trabajo 4

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6.2. Ciclo de Carnot invertido

Ambiente caliente Qs El refrigerante: Vs Ls Qs 2 3 Condensador Compresor Turbina Wc - 4 1 QE - s - absorbe calor isotérmicamente de una fuente a baja temperatura (QE) 4-1 Evaporador 4 1 Ambiente frio T 3 2 - se comprime isoentropicamente. (Wc) 1-2 rechaza calor isotermicamente en el sumidero de alta temperatura (Q5) 2-3 se expande isoentropicamente. 3-4 El ciclo de Carnot invertido se ejecuta dentro del domo de saturación >NO REALISTA COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN DE DOS FASES 5

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6.3. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Qs 3 2 Condensador Válvula de expansión Wc Evaporador 4 1 T 2 3 Tc TE 1 4 s Ciclo ideal: 1-2-3-4 Irreversibilidades en compresor: 1-2'-3-4 Ciclo ideal · Etapa 1 -> 2. Compresión isoentrópica del refrigerante . Etapa 2 -> 3. Condensación y enfriamiento del refrigerante a presión constante · Etapa 3 -> 4. Estrangulación o expansión isoentálpica en la válvula . Etapa 4 -> 1. Evaporación del refrigerante a presión constante 6 6 2'

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6.3. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Coeficiente de Operación T 2 Efecto refrigerante Q E 3 = = = Wc h - h4 h - h2 h - h4 h2 - h Irreversibilidades en Compresor WCS nc = = WC h1 - h2 h1 - h2 my ..... TF 1 4 s Ciclo ideal: 1-2-3-4 Irreversibilidades en compresor: 1-2'-3-4 Refrigerante: derivados halogenados de hidrocarburos (CFCs, FCs, etc.) 7 2' ß = Trabajo consumido

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En un refrigerador se utiliza R134 a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0,12 y 0,7 Mpa. Si el flujo másico es de 0,05 kg/s, determine:

a) Tasa de eliminación de calor b) Entrada de potencia c) Tasa de rechazo de calor al ambiente d) Coeficiente de operación

Qs 3 2 Condensador Válvula de expansión Wc Evaporador 4 1

En un ciclo de refrigeración ideal por compresión de vapor, el proceso de compresión es isentrópico, el refrigerante entra al compresor (1) como vapor saturado a la presión del evaporador y sale del condensador como líquido saturado a la presión del condensador (3). De las tablas de refrigerante (Tablas A-12 y A-13):

T 1 OH 2 3 0.7 MPa Win 0.12 MPa K 1 4s 4 QL P =120 kPa sat. vapor S1 = S g @120 kPa h1 =hg @ 120 kPa = 236.97 KJ/kg = 0.94779 KJ/kg · K P2 = 0.7 MPa h2 = 273.50 KJ/kg (T2 = 34.95℃) S2 = S1 P3 = 0.7 MPa h3 = hf@0.7 MPa =88.82 KJ/kg sat. liquid S h4 = h3 =88.82 KJ/kg (throttling)

a) Tasa de eliminación de calor OL = m(h1 -h4)=(0.05 kg/s)(236.97-88.82) KJ/kg = 7.41 kW b) Entrada de potencia Win =m(h2 -h1) = (0.05 kg/s)(273.50 -236.97) KJ/kg = 1.83 KW c) Tasa de rechazo de calor al ambiente OH =OL + Win = 7.41 +1.83 = 9.23 KW d) Coeficiente de operación COPR in 1.83 kW 7.41 kW -= 4.06 8

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S = 0,94779 KJ/kg·K TABLA A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado (conclusión) TV h S U h S V U h S ℃ m3/kg KJ/kg KJ/kg KJ/kg - K V m3/kg KJ/kg KJ/kg KJ/kg - K mª/kg KJ/KS KJ/kg KJ/kg . K P = 0.50 MPa (T.„ = 15.71 ℃) P = 0.60 MPa (Tat = 21.55 ℃) P = 0.70 MPa JT = 26.69 ℃) Sat. 0.041118 238.75 259.30 0.9240 0.034295 241.83 262.40 0.9218 0.029361 244.48 265.03 0.9199 20 0.042115 242.40 263.46 0.9383 30 0.044338 250.84 273.01 0.9703 0.035984 249.22 270.81 0.9499 0.029966 247.48 268.45 0.9313 40 0.046456 259.26 282.48 1.0011 0.037865 257.86 280.58 0.9816 0.031696 256.39 278.57 0.9641 50 0.048499 267.72 291.96 1.0309 0.039659 266.48 290.28 1.0121 0.033322 265.20 288.53 0.9954 60 0.050485 276.25 301.50 1.0599 0.041389 275.15 299.98 1.0417 0.034875 274.01 298.42 1.0256 70 0.052427 284.89 311.10 1.0883 0.043069 283.89 309.73 1.0705 0.036373 282.87 308.33 1.0549 P2 = 0.7 MPa S2 = S1 - \h2 = 273.50 KJ/kg (T2 = 34.95℃) 9

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6.3. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Modificaciones del Ciclo de Refrigeración por Compresión

A. Ciclos en cascada

Permite alcanzar temperaturas de refrigeración relativamente bajas mediante el acoplamiento de ciclos de refrigeración en serie.

Ciclos combinados. · Unidos mediante un cambiador de calor a contracorriente. · La energía cedida por un ciclo es aprovechada por el siguiente para evaporar su refrigerante que opera a temperatura más elevada. · El efecto refrigerante se consigue en el evaporador de más baja temperatura. · La cesión de calor global tiene lugar en el ciclo con el condensador de más alta temperatura. · El refrigerante para el ciclo B deberá tener unas características de saturación que permitan su condensación a la temperatura requerida sin una presión en el condensador excesivamente alta.

(-Qs) CICLO B 7 6 Condensador alta temperatura Válvula de expansión (-WCB) Evaporador 8 5 3 2 CICLO A Intercambiador Válvula de expansión (-WCA) Evaporador de baja temperatura 4 1 W 10 B = (-WCA) +(-W CB) QF

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6.3. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Modificaciones del Ciclo de Refrigeración por Compresión

B. Compresión en etapas multiples con refrigeración intermedia.

Análogas a los descrito para el ciclo de Brayton.

Refrigerante como agente de enfriamiento. · Tras la etapa de condensación el refrigerante es expandido en una válvula de estrangulamiento a una presión intermedia entre la del condensador y la del evaporador. · Se obtiene una mezcla de líquido y vapor. Dicha mezcla se introduce en una cámara flash. · Un separador de ambas fases. · El vapor saturado resultante entra en el intercambiador de calor y enfría la corriente 2 procedente de la primera etapa de compresión. · Por otro lado, el líquido que sale del separador flash se expande en una segunda válvula hasta la presión del evaporador y se introduce en el mismo. · Atendiendo a este esquema, la fracción de refrigerante que se desvía al intercambiador de calor corresponde al valor del título con el que sale de la primera válvula de expansión.

(-Qs) 5 4 (a) Condensador Compresor Válvula de expansión (-WCB) m 6 3 m 9 m.(x) Intercambiador de calor 7 2 m.(1-x) Compresor (-WCA) Evaporador 8 1 T (b) 4 5 6 2 7 3 9 1 8 s 11 L_ m.(1-x)

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6.3. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

Refrigerantes Empleados

En general, el refrigerante debe ser seleccionado de acuerdo a una serie de criterios:

• Temperaturas de trabajo del foco frío y caliente, ya que éstas determinan tanto la temperatura como la presión del refrigerante en el evaporador y condensador, respectivamente.
• Consecuentemente, la selección del refrigerante se realiza en base a su relación temperatura-presión de saturación en el rango de aplicación.
• En general, es conveniente no trabajar con presiones excesivamente bajas en el evaporador ni excesivamente altas en el condensador.
• Propiedades del refrigerante, tales como su estabilidad química, toxicidad, corrosividad y coste.
• Tipo de compresor: los compresores centrífugos funcionan mejor a bajas presiones y refrigerantes de gran volumen específico a baja presión, mientras que los alternativos lo hacen a mayores presiones y con refrigerantes de menor volumen específico.

Los refrigerantes más empleados en los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son los derivados halogenados de hidrocarburos como, por ejemplo, el diclorodifluorometano (CCI2F2), conocido tambien como Freon 12 y Genatrón-12. Sin embargo este tipo de compuestos, en caso de fugas o emisiones a la atmósfera, dañan la capa de ozono, lo que ha llevado a su sustitución por otros refrigerantes libres de cloro, como el tetrafluoroetano (CH2FCF3). 12