Refrigeración y licuefacción

Refrigeración y licuefacción

La refrigeración es prominente en otras industrias, como en el de manufactura de hielo y en la deshidratación de gases. Los procesos de licuefacción para la producción de gases puros como el oxígeno y el nitrógeno están muy relacionados con la refrigeración.

El término refrigeración implica el mantenimiento de una temperatura menor a la de los alrededores.como la temperatura debe de mantenerse baja, es necesario absorber continuamente calor a un nivel bajo, lo cual requiere un proceso de flujo continuo. Una forma de absorber calor a baja temperatura es por medio de la evaporación de un líquido cuyas propiedades sean tales que la presión de evaporación, la temperatura de ebullición sea baja. Para la operación continúa, el fluido evaporado debe regresar a su estado líquido original para que así pueda absorber nuevamente calora un bajo nivel de temperatura. La serie completa de etapas por las cuales pasa el fluido constituye el ciclo de refrigeración. No es necesario emplear una sustancia pura en el equipo. La evaporación de un componente en una solución va acompañada por la absorción de calor. Los equipos de refrigeración por absorción, de los cuales el refrigerador doméstico de gas es un ejemplo, emplean este concepto.

Ciclo de Carnot de refrigeración

Es un proceso de refrigeración continua en el cual se absorbe calor a baja temperatura, debe existir una eliminación continua del mismo a los alrededores, pero a una temperatura más alta. Básicamente, un ciclo de refrigeración corresponde al inverso del ciclo de una máquina térmica. El calor se transfiere de un nivel bajo a uno más alto y esto,de acuerdo con la segunda ley, no puede conseguirse sin el empleo de energía externa. Como en el caso de una máquina térmica, el ciclo de refrigeración ideal es un ciclo de Carnot que consiste en 2 procesos isotérmicos y 2 adiabáticos. En uno de los procesos isotérmicos, el calor Q2 se absorbe a una temperatura más baja T2 y el calor Q1 es eliminado a la temperatura más alta T1 los procesos adiabáticos tienen como resultado la adición de trabajo neto W al sistema (No se ha considerado el signo convencional de que el calor es positivo cuando lo absorbe el sistema. Tanto Q1 como Q2 se toman como positivos; en consecuencia, W es también positivo e igual al trabajo suministrado al sistema) como ΔU para el fluido es cero para el ciclo completo, se puede escribir de la primera ley.

W=Q1 - Q2

Por lo tanto:

Q1=T1ΔS

Q2=T2ΔS

(Imagen Ciclo de refrigeración de Carnot)

Combinando las ecuaciones:

W/Q2 =T1-T2 /T1

Que corresponde a la expresión conocida de la eficiencia de carnot para una máquina térmica y que es aplicable también al ciclo inverso, que opera como sistema de refrigeración. En términos de Q2, la ecuación se convierte en:

W/Q2= T1 - T2 /T2

De la cual puede calcularse el trabajo requerido para una cantidad de refrigeración dada Q2. La ecuación es exacta para el ciclo de Carnot, pero muestra claramente que el trabajo requerido se incrementa a medida que la temperatura T2 del refrigerador disminuye y conforme aumenta la temperatura T1 a la cual se elimina el calor.

Como el ciclo de Carnot es reversible, las etapas adiabáticos son isoentrópicas.

Si los procesos fueran adiabáticos pero no reversibles, habría un incremento de entropía, como lo indican las líneas punteadas de las etapas de compresión AE y de la expansión CF. El efecto de las irreversibilidades se reflejaría en el aumento de trabajo requerido para la compresión, en la reducción del trabajo obtenido del proceso de expansión y en el decremento de la cantidad de refrigeración. Éste resultado es evidente, ya que el valor de T ΔS es menor para el proceso FA que para D'A.

CICLO DE REFRIGERACIÓN DEL AIRE

El ciclo de la figura anterior, aunque no es muy eficaz como el ciclo de Carnot, puede emplearse para producir refrigeración. El sistema del aire constituye un ejemplo.

En el refrigerador, el aire absorbe calor a presión esencialmente constante P1 en el espacio frío y lo elimina a los alrededores a la presión constante P2, que es más elevada. El gas se comprime a entropía constante( idealmente ) de A a B, empleando el trabajo obtenido del proceso de expansión CD.

Además de tener una eficiencia baja, incluso sobre una base reversible, el ciclo de aire tiene desventajas adicionales. La primera de ellas se presenta tanto en el refrigerador como en el enfriador, donde el calor debe transferirse a través de una película de gas. Los coeficientes de transferencia de calor en la película de gas son bajos y, por tanto, la diferencia de temperatura entre

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