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Ciclos de refrigeraciónEmol Soto Alfaro Termodinámica Instituto IACC 24 de agosto de 2020Desarrollo Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas dife...

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Ciclos de refrigeración Emol Soto Alfaro Termodinámica Instituto IACC 24 de agosto de 2020

Desarrollo 

Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias.

R.- Cabe señalar que los ciclos de vapor que son por compresión, son muy requeridos para los sistemas de refrigeración, la cual consiste en eliminar el calor de algún lugar la cual tiene una temperatura baja hacia otro lugar el cual tiene una temperatura elevada. El ciclo invertido de Carnot, se constituye por dos procesos isentrópicos y dos isotérmicos, este ciclo es uno de los más eficiente que se ejecuta entre dos distintas temperaturas, pero esta igual presenta problemas al momento de la práctica, en las fases 1 - 2 y 3 – 4, se mantiene la presión y este puede cambiando de fase o saturado, por ende, se mantiene la temperatura. Pero en las fases 4 – 1 y 2 – 3, la cual es una expansión con una elevada concentración de humedad y una comprensión del fluido, respectivamente, estos dos últimos procesos del ciclo son los que presentan problemas en la práctica, pero estas se pueden evitar si se realiza el trabajo, usando el flujo por fuera de la campana, pero podría no poder tener la condición de que la temperatura sea constante.

El ciclo ideal de compresión, se genera por las acciones imprácticas que surgen en el ciclo mencionado anteriormente. Para solucionar el problema que se genera en el compresor, se tiene que evaporar al 100% el refrigerante, antes que se realice la compresión, y la solución para los problemas que se generan en la turbina es la sustitución de este componente por una v/v de expansión (dispositivo de estrangulación). Este ciclo se compone de los siguientes procesos:  1 – 2 Compresión isentrópica mediante un compresor.  2 – 3 Rechazo calórico a presión constante mediante un condensador.  3 – 4 Estrangulación, mediante dispositivo de expansión.  4 – 1 Absorción de calor a presión constante mediante un evaporador.

El ciclo real de compresión, se diferencia del ideal en las invariables que suceden en componentes varios. Las invariables se generan por la transferencia de calor desde o hacia los alrededores y también por que el fluido genera fricción. El refrigerante al ser expulsado del evaporador, luego ingresa al compresor, el cual necesita de una elevada precisión para que este en un estado de vapor saturado, pero se entiende que el refrigerante en la práctica, es mejor llevarlo a un estado de vapor saturado.



Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de

refrigeración

para

uso

industrial,

compare

sus

componentes,

desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuales criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante.

Equipo de aire

Cámara de frigorífico

acondicionado Componentes - Válvula de expansión

- Ventilador

- Evaporador

- Conductos

- Condensador

- válvula escape sobre

- Compresor

presión

- Presostato

- Distribuidor

- Conductos

- Termostato

- Filtros deshidratante

- Válvula solenoide conducto nitrógeno

Tipo de refrigerante - R134ª

- Cilindro Nitrógeno - nitrógeno liquido

Básicamente los criterios que se utilizaron para el uso de estos refrigerante, es por el cuidado del medio ambiente, ya que en primer lugar el sistema de aire acondicionado, gracias al reemplazo del refrigerante anterior (freón R – 12) el cual era muy dañino para nuestra capa de ozono y su gran disposición por aumentar el efecto invernadero sobre nuestro planeta, y por la parte de los sistemas que usan como refrigerante el nitrógeno líquido, este no es toxico, ya que se conoce que la composición de la atmosfera, el nitrógeno tiene un alto porcentaje (78%), por lo cual la liberación de esta hacia el medio ambiente no seria un problema que afecte a nuestra atmosfera.



Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134ª como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento de 400 kW.

R.COP=

Q´L W entrada

=

qL w



T 1 =4 ° C



Tabla A−11: h1= 252,77



s 2=s1=0,92927



P2=1000 kPa

kJ ( kJkg ) y s =0,92927( kgK ) 1

kJ ( kgK )

h2−h x h y −h x h2−271,71 kJ 282,74 −271,71 = ⇒h2=275,33 = ⇒ kg s 2− s x s y −s x 0.92927−0.9179 0,9525 −0,9179

( )

A la salida del condensador se tiene liquido saturado a de igual presión que el anterior

P3=1000 kPa

y en la tabla A-12 se tiene que h3=107,32

que se produce una estrangulación la entalpia es igual

qL w

=

h1−h4 252,77−107,32 = =6,44 h 2−h4 275,33−252,77

Ahora sabes que la carga de enfriamiento es igual a: ´ L =400 (kW ) ⇒Q ´ =m ´ ( h 1−h4 ) Q L Y donde el flujo masico es m=2,75 ( kg ) Por lo tanto, la potencia necesaria será correspondiente a: W entrada= m ´ ( h 2−h1) =2,72 (275,33 −252,77 )=61,36 ( kW )

. Ya

( kJkg )

h4 =h3 =107,32

Entonces tenemos que: COP=

( kJkg )



Entra refrigerante 134ª al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 Mpa y -5 °C a un flujo masico de 0,7 kg/s, y sale a 1,2 Mpa y 70 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 44 °C y 1,15 Mpa, y se estrangula a 0,2 Mpa. Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine: a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. b. La eficiencia isentrópica del compresor c. El COP del refrigerador. Según tabla A-13, formulas:

T 1−T x T y −T x kJ −10 −0 −5−0 ⇒s 1=0,9539 = = ⇒ kgK s y −s x s 1−0.9698 0,938 −0,9698 s 1− s x

( )

T 1−T x T y −T x kJ −10 −0 −5 −0 = = ⇒ ⇒h1=248,795 kg h1−h x h y −h x h1−253,05 244,54 −253,05

( )

En la salida del compresor la T° y P aumenta esto hace que se mantenga en vapor sobrecalentado. Entonces tendremos que entalpia de

h2=300,61

( kJkg ) , pero luego de la salida

del condensador, baja su temperatura y presión, por lo tanto, según la tabla refrigerante 134ª, tendremos los siguientes datos:

h3=114,28

( kJkg )

Como este recorre por la v/v estranguladora, esta no cambia:

( kJkg )

h4 =h3 =114,28

a. Con los datos anteriores tendremos: Calor removido. ´ b= m= ´ ( h1− h4)=0,7 ( 248,795−114,28 )=94,16 ( kW ) Q Potencia de entrada. ´ =( h2− h1)=0,7 ( 300,61−248,795 )=36,27 ( kW ) W´ c = m b. Eficiencia isentrópica. ηc =

h2 s −h1 h2−h1

En estado 2 la entalpia en su forma isentrópica seria; s 2 s=s 2 s=0,9539

kJ ( kgK )

por los datos de tablas que corresponde al refrigerante sobrecalentado, a una presión de 1,2 mPa. Se puede obtener lo siguiente: h2 s−h x h y −h x h −278,27 kJ 289,64− 278,27 ⇒ 2s = = ⇒h2 s=287,18 kg s 2 s− s x s y −s x 0,9539−0.9267 0,9614− 0,9267

( )

Entonces: ηc =

287,18−248,795 =0,74=74 % 300,61−248,795 c. COP del refrigerador seria:

COP=

´ Q 94,16 b =2,6 = W´ c 36,27

,y

Bibliografía

-

IACC (2020). Ciclos de refrigeración. Termodinámica. Semana 6....