Ciclo de refrigeración por compresión de vapor PDF

Preview

Summary

apuntes ...

Description

Ciclo de refrigeración por compresión de vapor Los ciclos de refrigeración de vapor son máquinas térmicas inversas, debido a que el arreglo que pose se basa en el ciclo de Carnot inverso, debido a que su dirección de flujo está en el sentido contrario de las agujas del reloj. Son ciclos en los que el calor Q va de menor a mayor temperatura, los cuales el aporte de energía a través de los dispositivos mecánicos que intervienen en un refrigerador, teniendo cada uno de ellos una función principal dentro del ciclo. En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones: • En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. • Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar). • La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación. Régimen seco La llegada de líquido al compresor, por poco que sea,4 produce los llamados golpes de líquido que son muy destructivos para el sistema de compresión de la máquina. Con el fin de evitar este problema, mediante la válvula de expansión, que también hace las veces de regulador de caudal, es muy común controlar el volumen de líquido que llega al evaporador, de forma que el calor absorbido recaliente el vapor de salida, es decir, alcance una temperatura por encima de la de saturación (sobrecalentamiento). Esta acción, además de preventiva, aumenta el efecto frigorífico, que es la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida del evaporador, representada por la cuarta etapa 5 del ciclo en el diagrama Ph. Se consigue también este aumento del efecto mediante el subenfriamiento a la salida del condensador, haciendo circular a contracorriente, en un pequeño intercambiador auxiliar, el vapor frío del evaporador y el líquido caliente proveniente de la salida del condensador. Cuando el equipo está trabajando en estas condiciones, se dice que lo hace en régimen seco o sobrecalentado. Régimen humedo Si se deja muy abierta la válvula de laminación, llega mucho líquido al evaporador. El compresor aspira el fluido en estado de vapor húmedo, pero con un título que permita que al final de la compresión, en el interior del cilindro haya vapor saturado seco. Esta forma de trabajo produce una bajada de temperatura del compresor, ya que parte del calor de compresión es absorbido por la evaporación de la parte líquida que lleva el fluido aspirado. Pero la mayor ventaja se produce en el evaporador, donde al haber más líquido, aumenta la superficie mojada de los tubos y por tanto, se mejora el coeficiente de película y en general el coeficiente global de transmisión y con ello el intercambio de calor con el ambiente.

Se puede resumir diciendo que en una instalación frigorífica de compresión, debe trabajarse con régimen seco en el compresor y lo más húmedo posible en el evaporador. 7 Esto se consigue intercalando entre el evaporador y el compresor un recipiente de líquido en el que se separan las partículas líquidas que vienen del evaporador.

Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o tubo capilar, El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo real de refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar los procesos de suministro y disipación de calor a temperatura constante para alcanzar el mayor valor posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una máquina frigorífica con un ciclo de compresión de vapor. En la Figura 3.15 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el fluido se convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja, se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulación y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante. A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se presentó en la Figura 3.15, contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación. Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles. La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseño. Una tonelada de refrigeración se define como la rapidez de extracción de calor de la región fría ( o la rapidez de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo del compresor.

Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración. Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante (ver figura 2.2-a), que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría. Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver figura 2.2-a). El agua y el aire atmosférico son las sustanciales

habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento. Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador. Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como: ηcomp =

W s ,ideal h 2 s−h1 = W a , real h2 ' −h1

Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de W neto =∫ vdp Influencia de las irreversibilidades en el condensador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del condensador para tener a la salida

líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante). Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por q+ w=hsalida−h entrada

La capacidad de refrigeración es el flujo de calor transferido en el evaporador Qvap planteada así: ´ vap =m ´ ( h 1−h4 ) Q En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que solo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está dado por: COP REF =

Q´ EVAP h1−h4 = ´ h 2−h1 W COMP...