Refrigeracion

Los ciclos inversos de motores térmicos, o ciclos frigorígenos, permiten la transferencia de calor desde una fuente fría, hasta otra fuente a mayor temperatura, fuente caliente; estos ciclos vienen caracterizados por un coeficiente de efecto frigorífico, que es la relación entre la cantidad de calor extraída a la fuente fría y el trabajo aplicado al ciclo mediante un compresor.

Para un mismo salto de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fría, se pueden considerar los siguientes coeficientes de efecto frigorífico:

a) Coeficiente de efecto frigorífico teórico del ciclo. [COPTEORICO]

b) Coeficiente de efecto frigorífico del ciclo de Carnot correspondiente. [COPC. ]

c) Coeficiente de efecto frigorífico real. [COPREAL o COP]

El coeficiente de efecto frigorífico teórico del ciclo es:

〖COP〗_teoríco=q_V/T_t ………(1)

Donde:

q_V : Potencia frigorífica o cantidad de calor extraída del foco frío (vaporizador).

T_t : Trabajo aplicado al fluido (por el compresor) en condiciones ideales.

El coeficiente de efecto frigorífico del ciclo de Carnot es:

〖COP〗_C=T_V/(T_C-T_V ) ………(2)

Donde:

T_V : Temperatura del foco frío (vaporizador).

T_C : Temperatura del foco caliente (condensador).

El coeficiente de efecto frigorífico real es:

COP=q_V/T_r ………(3)

Donde:

T_r : trabajo específico real aplicado al fluido por el compresor.

El valor del trabajo real [ T_r o W_r ] se puede deducir a partir del concepto de crecimiento de entropía ∆S^* a lo largo del ciclo, debido a la irreversibilidad del mismo, de la forma:

∆s^*=-q_V/T_V +q_C/T_C =|q_C=q_V+T_r |=-q_V/T_V +(q_V+T_r)/T_C

Despejando T_r :

T_r=∆s^*.T_C+q_V.(T_C-T_V)/T_C =∆s^*.T_C+q_V/〖COP〗_C =∆s^*.T_C+(COP.T_r)/〖COP〗_C

De acuerdo con el Segundo Principio de la Termodinámica, el trabajo mínimo reversible a aplicar al ciclo se corresponde con el trabajo del ciclo de Carnot, por lo que:

T_Carnot=〖q_C〗^,-q_V

En la que q_V es la misma que la del ciclo real, pero no, 〖q_C〗^,=q_C

En un proceso reversible se tiene que la variación de entropía total es cero, es decir:

〖q_C〗^,/T_C =q_V/T_V →〖q_C〗^,=q_V.T_C/T_V

El trabajo del ciclo de Carnot es:

T_C=q_V.T_C/T_V -q_V=q_V.(T_C-1)/T_V =q_V/〖COP〗_C

El trabajo real es:

T_r=∆s^*.T_C+q_V/〖COP〗_C =∆s^*.T_C+T_C

Es decir, el trabajo real es igual al trabajo mínimo reversible aumentado en la cantidad (∆S.T_C ) que es una energía que hay que aplicar, que queda ligada al fluido frigorígeno y que no se puede aprovechar, porque es consecuencia de la irreversibilidad del proceso.

Una buena máquina frigorífica será aquella capaz de extraer una gran cantidad de calor de un foco frío qv a expensas de una pequeña cantidad de energía Tr aplicada a la misma mediante el compresor.

CICLO DE CARNOT DE UN FLUIDO CONDENSABLE

La ventaja del ciclo de una máquina frigorífica de fluidos condensables respecto a la máquina frigorífica de gas, radica en la utilización del fluido en sus dos fases, líquida y gaseosa, que permite no sólo el que técnicamente se pueda realizar el ciclo de Carnot inverso, sino porque las temperaturas al final de la expansión y a la entrada en el compresor son iguales, por lo que se puede optimizar el coeficiente de efecto frigorífico. El funcionamiento de una máquina frigorífica de fluidos condensables que utiliza un ciclo de Carnot, Figura, es como sigue:

Un compresor accionado por un motor aumentaría la presión del fluido desde P2 a P1, según la transformación (AB), alcanzándose la temperatura T1; esta compresión sería seguida de una condensación isoterma (BC) en la que el calor q1 es evacuado al foco térmico caliente; el agua fría del condensador juega el papel de foco caliente de la máquina frigorífica, circulando en contracorriente con el fluido que viene del compresor y absorbiendo el calor q1.

El fluido una vez licuado se expansiona isoentrópicamente en un expansor (CD), disminuyendo su presión y temperatura, con lo que se vaporiza parcialmente, llegando en estas condiciones al evaporador, estado D, iniciándose la vaporización isoterma (DA), durante la cual el calor q2 puede ser absorbido del recinto a enfriar, o de una disolución de ClNa (salmuera), que circularía en contracorriente con el vapor a una temperatura Tr mayor que T2.

Esta sustancia se puede enfriar hasta - 15°C sin congelar, actuando como fuente fría; la salmuera así refrigerada circularía por conducciones apropiadas para la refrigeración de otro sistema.

La parte evaporada del fluido condensable vuelve al compresor, iniciándose de nuevo el ciclo.

El área por debajo de (DA) representaría el calor q2 absorbido a la fuente fría de valor (iA - iD) y el área (ABCDA) sería el trabajo TC aplicado al fluido por el compresor.

El coeficiente de efecto frigorífico viene dado, como sabemos, por:

"COP=" "q" _"2" /("T" _"C" "-" "T" _"e" ) "=" "T" _"2" /("T" _"1" "-" "T" _"2" )

El fluido que recorre el ciclo debe licuar fácilmente, por lo que su temperatura crítica tiene que ser superior a las temperaturas máximas de funcionamiento del fluido.

El trabajo mínimo reversible, necesario para extraer el calor q2 del foco frío es:

"T" _"min.rev" "=" "q" _"1" "-" "q" _"2" "=" "q" _"2" "." "T" _"1" /"T" _"2" "-" "q" _"2" "=" "q" _"2" "." ("T" _"1" "-" "T" _"2" )/"T" _"2" "=" "q" _"2" /〖"COP" 〗_"C" "→" 〖"COP" 〗_"C" "=" "q" _"2" /"T" _"min.rev"

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