Sistemas de refrigeración - 1

1. Sistemas de refrigeración - 1

2. Panorama • Conceptos generales • El ciclo de refrigeración ideal • Límites del ciclo de Carnot • Análisis de la segunda ley para el trabajo mínimo • Sistemas de compresión de vapor • Consideraciones prácticas • Efectos de la irreversibilidad sobre el rendimiento

3. Conceptos generales

4. Condensador TH QH Vapor a alta presión Líquido saturado Almace- namiento de líquido Win Evaporador Válvula de estrangu- lación TL QL Plantas básicas de refrigeración por compresión de vapor

5. El ciclo de refrigeración ideal

6. La transferencia de calor en el condensador produce líquido saturado antes del estrangulamiento. QH El estrangulamiento del líquido a alta presión producirá vaporización parcial y enfriamiento. Wentra La mezcla líquido-vapor es evaporada totalmente por el calor que se suministra desde el almacenamiento o cuerpoa baja temperatura. QL Compresión isentrópica de vapor desde el evaporador. El ciclo de refrigeración ideal

7. QH a b Qa-b = 0 Primera ley: Un proceso adiabático de entalpía constante a través de una diferencia de presión produce un efecto de enfriamiento (temperatura más baja) con refrigerantes. Wentra Efecto Joule-Thompson: QL Proceso de estrangulamiento

8. QH Coeficiente de rendimiento Objetivo: Extraer tanto calor como sea posible desde el almacenamiento a baja temperatura para una entrada de trabajo dada. Wentra QL

9. QH Sistema que absorbe trabajo Wentra Si el sistema opera como ciclo reversible, en el cual el calor se transfiere a temperatura constante, se aplican los corolarios de Carnot, principalmente: QL Refrigerador de Carnot

10. QH Wentra QL Para un refrigerador de Carnot y unamáquina de calor que operan entrelas mismas dos temperaturas: Refrigerador de Carnot

11. Temperatura condensadora, TL “región fría” QH T TH Tr TL Wentra QL s Tr se usa para obtener r Temperatura evaporadora, TH “región caliente” Características operativas del refrigerador reversible

12. Temperatura condensadora, TL “región fría” QH T TH Tr TL Wentra QL s Tr se usa para obtener r Temperatura evaporadora, TH “región caliente” Características operativas del refrigerador reversible

13. Temperatura condensadora, TH “región caliente” Los ciclos prácticos operarán con vapor super calentado. QH T TH Tr TL Wentra QL s Tr se usa para obtener r Temperatura evaporadora, TL “región fría” Características operativas del refrigerador reversible

14. QH Wentra QL (1) El cambio de entropía del fluido de trabajo en un ciclo es cero. (2) El cambio de entropía del universo es la suma de los cambios de entropía de los dos almacenamientos. Análisis de la segunda ley El principio de incremento de la entropía se aplica al ciclo de refrigeración.

15. Entrada mínima de trabajo QH Wentra QL Esta desigualdad básica, a partir de la segunda ley define el mínimo Wentra.

16. QH Wentra QL Los cuerpos a temperaturas alta y baja son almacenamientos térmicos. Entrada mínima de trabajo

17. QH El problema práctico es el enfriamiento de un cuerpo demasa finita y capacidad de calora una temperatura dada. Wentra QL Cuerpofinito Considere que el cuerpo se va a enfriar de una temperatura inicial Ti a una final T. Suponga que el refrigerador opera con un ciclo reversible. El cuerpo experimentará un cambio de entropía de Si a S. Análisis de la segunda ley para cuerpos de enfriamiento finito

18. QH Wentra QL Cuerpofinito Trabajo de refrigeración mínimo para un cuerpo finito El principio del incremento de la entropía se aplica al caso del cuerpo finito. Después de un número dado de ciclos, Q es el calor extraído del cuerpo en forma reversible.

19. QH Wentra QL Cuerpo finito Trabajo de refrigeración mínimo para un cuerpo finito

20. Refrigeración por compresión de vapor

21. T QH 2 3 1 4 Wentra QL s Estrangulamiento (3-4): proceso de no equilibrio Refrigeración por compresión de vapor

22. Capacidad = ton de refrigeración 1 ton de refrigeración = 200 Btu/min = 12,000 BTU/hr, ~ tasa de enfriamiento por la fusión de 2000 lbm (1 ton) de hielo por día. Capacidad de la planta de refrigeración

23. h 2 QH 1 QL 3 4 (REF) = ton de refrigeración s Nota: en la fórmula anterior la tasa de flujo de masa del refrigerante está en lbm/min, y, entonces, se usa el factor de 200 BTU/min. Capacidad de la planta de refrigeración

24. Para un compresor recíproco: N = rpm del compresor PD = desplazamiento del pistón, ft v = coeficiente volumétrico (eficiencia) v1 = volumen específico a 1, ft3/lbm Capacidad de la planta de refrigeración

25. Para cada proceso en el ciclo de refrigeración se aplica el balance de entropía para sistemas abiertos. Producción de entropía

26. Ejemplo

27. T a d c s b Análisis de una planta típica de refrigeración por amonicaco Datos: El fluido de trabajo es amoniaco Compresión reversible (c-d)

28. Coeficiente de rendimiento: Entropía en el estado b:

29. T a d Producción interna de entropía, int Producción externa de entropía, ext c b s Producción de entropía:

30. Efectos de la transferencia de calor irreversible sobre el rendimiento del ciclo

31. Temperatura del agua de enfriamiento del condensador, Tcw T Debe ser cero para un rendimiento máximo DTH Debe ser cero para un rendimiento máximo DTL s Temperatura de la región refrigerada, Tref Transferencia de calor irreversible

32. Datos: TH = 72o F = 532 R TL = 32o F = 492 R DTH = 10 F = 10 R DTL = 10 F = 10 R T DTH TH DTL TL Ejemplo: transferencia de calor irreversible s

33. Otras fuentes de irreversibilidad • Pérdidas en la tubería • Fugas de calor • Ineficiencias mecánicas

34. Efectos de las pérdidas en la tubería, mecánicas y térmicas sobre la refrigeración por compresión de vapor. T DTH TH DTL TL s

35. Fin de Sistemas de refrigeración - 1

36. Términos y conceptos clave Ciclo de refrigeración de Carnot Coeficiente de rendimiento (COP) Efecto Joule Thompson Capacidad de refrigeración en ton

37. T DTH TH DTL TL s Caso de estudio - 1: Efecto del DTH en el rendimiento del ciclo conjunto Datos DTL = 0 T1 = 10o F P1 - 29.33 in de Hg h1 = 78.3 BTU/lbm

38. T DTH TH DTL = 0 TL s Caso de estudio - 1

39. T DTH TH DTL = 0 TL s Caso de estudio - 1

40. T DTH TH DTL = 0 TL s Caso de estudio - 1

41. Fin de sistemas de refrigeración - 1