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

REFRIGERACION

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

Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores o bombas de calor y los ciclos que operan se denominan ciclos de refrigeración.

El ciclo más empleado es el ciclo de refrigeración de compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente y se comprime en la fase vapor.

Otros ciclos son:

1. Ciclo de refrigeración de gas  donde  el refrigerante se mantiene todo el tiempo en fase gaseosa.
2. Refrigeración en cascada se emplea más de un ciclo refrigeración.
3. Refrigeración por absorción en el cual el refrigerante se disuelve en un líquido antes de comprimirse
4. Refrigeración termoeléctrica que se produce mediante el paso de corriente eléctrica por materiales distintos.

CICLO INVERTIDO DE CARNOT        REFRIGERADOR DE CARNOT

Como ya hemos visto el ciclo de Carnot consta de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos isentrópicos.

El ciclo de Carnot tiene la máxima eficiencia térmica para determinados límites de temperatura, sirve para como estándar contra el cual los ciclos de potencia se comparan, generando una valiosa herramienta en el estudio de los ciclos de potencia.

Como el ciclo es reversible, los cuatro procesos que comprenden el ciclo de Carnot pueden invertirse.

Al invertirse las direcciones también todas las interacciones térmicas se invierten.

Como resultado será el ciclo invertido de Carnot o refrigerador de Carnot.

[pic 1]

[pic 2]

El refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura (TC) en una cantidad de QC (proceso 1 – 2); se comprime isentrópicamente hasta 3 (la temperatura aumenta hasta TH), se rechaza calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a TH en la cantidad de QH (proceso 3 – 4) y por último se expande isentrópicamente hasta el estado 1 (la temperatura desciende hasta TC)

[pic 3]

[pic 4]

El rendimiento de refrigeradores se expresa en términos del coeficiente de desempeño o coeficiente de operación se puede abreviar como ω o en su defecto como COP, se puede determinar el coeficiente de desempeño o coeficiente de operación como:

ω = COP = calor absorbido a la temperatura más baja / trabajo neto

ω = COP = |QC|/ Wneto                ecuación (1)

pero el trabajo se calcula:

Wneto =  |QH| - |QC|                        ecuación (2)

Dividiendo  (2) por |QC| tenemos:

Wneto  /|QC| = |QH|/|QC| - 1                        ecuación (3)

En los casos en que los procesos son reversibles es decir si el ciclo es de Carnot podemos:

|QH|/|QC|= TH / TC

Remplazando en (3) la anterior  ecuación:

Wneto  /|QC| =  TH / TC  - 1

Si lo poniendo en forma de la ecuación (1)

ω = COP = |QC|/ Wneto = 1 / (TH / TC  - 1)

de esta manera se puede determinar el coeficiente de desempeño o coeficiente de operación para ciclos del tipo Carnot  Y NO PARA CUALQUIER CICLO (así en mayúsculas)[pic 5]

Debemos advertir que el coeficiente de desempeño o coeficiente de operación ω o COP aumenta conforme decrece la diferencia entre las temperatura TC  y TH. Esto significa que el coeficiente de desempeño o coeficiente de operación disminuye si TC aumenta permaneciendo constante TH. ó si  TC  permanece constante y TH disminuye.

El ciclo de Carnot invertido es el ciclo de refrigeración más eficiente que opera entre dos niveles de temperatura específica. Por ello se considera como ideal esperando que los ciclos refrigerantes se comporten de esta manera.

Sin embargo, el ciclo de Carnot invertido  es un modelo inadecuado para los ciclos re refrigeración.

Los dos procesos isotérmicos  de transferencia de calor no son difíciles de alcanzar en la práctica, por que al mantener una presión fija,  de manera automática la temperatura se estabiliza en una mezcla bifásica (dos fases) en el valor de saturación. Por tanto, los procesos 1 – 2 y 3 – 4 pueden ser aproximados en los de evaporadores y condensadores reales.

El problema se encuentra en los procesos 2 – 3 y 4 – 1 no pueden aproximarse lo suficiente en la práctica debido a que en el proceso 2 – 3 se incluye la compresión de una mezcla líquido – vapor  por lo que requiere un compresor que maneje las dos fases y no existe, y el proceso 4 – 1 implica una expansión de un refrigerante con alto contenido de humedad y tampoco es posible.

La solución sería en apariencia si se ejecutará el ciclo de Carnot invertido fuera de la región de saturación. Pero en esas condiciones el proceso no puede mantenerse isotérmicamente en los procesos de absorción y rechazo de calor.

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