Refrigeración. Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración

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Por consiguiente podemos concluir que un ciclo de Carnot invertido no puede aproximarse en los dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración. A pesar de ello el ciclo de Carnot invertido sirve como estándar contra el cual se comparan los ciclos de refrigeración reales.

CICLO IDEAL POR COMPRESION DE VAPOR

[pic 6]

El gráfico muestra un proceso es semejante al ciclo de Carnot invertido. Un líquido que se evapora a presión constante absorbe calor a temperatura constante (tramo 1 – 2); el vapor sobrecalentado se enfría a presión constante, elimina calor a temperatura constante (tramo 3 – 4); el líquido saturado (4) es expandido a su estado original enfriándose. Esto se lleva a cabo en una turbina o expansor donde se puede obtener trabajo o no dependiendo del equipo (tramo 4 – 1) y por último después la compresión una presión más elevada adiabáticamente (Tramo 2 – 3).

Al observar el gráfico T vs S se observa que:

S2 = S3

T1 = T2

P1 = P2

S4 = S1

T2 = T1

P3 = P4

Como se pude ver el proceso se asemeja al ciclo de Carnot invertido. Por nuestros anteriores estudios y realizando balance de energía sobre este ciclo llegaremos a las siguientes ecuaciones:

[pic 7]

QC = ΔH = H2 – H1

QH = ΔH = H4 – H3

|QH |= ΔH = H3 – H4

WS = | QH | – | QC |

WS = (H4 – H3) – (H2 – H1)

Por lo anteriormente señalado y con la ecuación que permite encontrar el coeficiente de desempeño o coeficiente de trabajo (que significan lo mismo):

ω = COP = (H2 – H1) / (H3 – H4) – (H2 – H1)

Es necesario aclarar que la utilización de turbinas o expansores solo se emplea en grandes unidades de refrigeración y deben operar con mezclas de dos fases líquido – vapor.

Para pequeñas instalaciones, la expansión se obtiene por estrangulamiento del Líquido tal como una válvula parcialmente abierta o como el los aparatos de refrigeración domésticos un tubo capilar como se resalta en la siguiente figura

[pic 8]

[pic 9]

Al igual que el caso anterior los gráfico y la figura que representa una refrigeración pequeña

[pic 10]

La diferencia en este proceso esta en el tramo 4 – 1 donde la expansión se realiza por una válvula o tubo capilar donde la entalpía es constante por tanto H1 = H4.

Adicionalmente el tramo 2 – 3 es real, en cambio el tramo 2 – 3’ representa un proceso isentrópico y no debemos olvidar:

[pic 11]

ηcompresor = (ΔH)isentrópico / (ΔH)real [pic 12]

ω = COP = (H2 – H1) / (H3 – H4) – (H2 – H1)

pero H1 = H4 la ecuación quedaría de la siguiente manera:

[pic 13][pic 14]

ω = COP = (H2 – H1) / H3 – H4 – H2 + H1

ω = COP = (H2 – H1) / (H3 – H2)

Para el diseño se necesita la velocidad de circulación del refrigerante. Esto se determina por medio del calor absorbido en el evaporador:

m̊ = |QC|/ (H2 – H1)

En los ciclos de potencia para conocer el trabajo que se obtiene se calcula la potencia que es P = m̊ |Ws|, del mismo modo los ciclos de refrigeración se calcula el calor absorbido esta en función de toneladas de refrigeración, significa en otras palabras cuanta energía se necesita por hora para refrigerar una tonelada de agua en un día referido por hora.

Una tonelada de refrigerante se define como:

12000 [BTU/hr] = 200 [BTU/min] ó 11376[kJ/hr] = 211[kJ/min]

Para estos ciclos de refrigeración es muy común utilizar también diagramas P vs. H, aunque se puede usar los diagramas T vs. S, los primeros se usan con más frecuencia por que muestran las entalpías requeridas en función de la presión. Un diagrama básico de P vs. H. es el siguiente:

[pic 15]

Un ejemplo de un diagrama que arriba se esquematiza es el siguiente que corresponde a el refrigerante Freon 12

[pic 16]

SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE ADECUADO

Cuando se diseña un sistema de refrigeración son varios los refrigerantes que pueden elegirse, como clorofluorocarbonos (CFC), amoniaco, hidrocarburos (propano, etano, etileno, etcétera), dióxido de carbono, aire(en el acondicionamiento del aire de aviones) e incluso agua (en aplicaciones arriba del punto de congelación). La elección del refrigerante depende de la situación especifica. De los anteriores, los CFC tales como R-l 1, R-12, R-22 y R-502 abarcan 90 por ciento del mercado en Estados Unidos.

El éter etílico fue el primer refrigerante empleado para el comercio de sistema por compresión de vapor en 1850 y le siguieron el amoniaco, dióxido de carbono, cloruro metílico, dióxido de azufre, butano, etano, propano, isobutano, gasolina y los clorofluorocarbones, entre otros.

Los sectores industrial y del gran comercio estaban y están muy satisfechos con el amoniaco, aunque este compuesto es tóxico. Las ventajas del amoniaco sobre otros refrigerantes son su bajo costo, altos COP (y en consecuencia menores costos de energía), propiedades termodinámicas y de transporte más favorables y por ello coeficientes de transferencia de calor más altos (requiere intercambiadores de calor más pequeños y de menor costo) mayor detectabilidad en el caso de una fuga y ningún efecto en la capa de ozono. La principal desventaja del amoniaco es su toxicidad, que lo hace inadecuado para el empleo doméstico. El amoniaco se