Refrigeracion

UNIDAD 1- PRINCIPIOS DE REFRIERACION

1.1 - DEFINICION Y APLICACIONES.

La refrigeración es el proceso que consiste en el mantenimiento y supervisión y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo.

La refrigeración, aplicación médica, industrial, comercial y doméstica de todo tipo depende de los sistemas de refrigeración.

Durante la década de los 90 casi todos los países firmaron y consecuentemente ratificaron el Protocolo de Montreal de Las Naciones Unidas y sus correcciones posteriores. Este acuerdo incluye una escala de tiempo estricto para la desaparición de refrigerantes, que atacan el ozono y requiere el uso provisional hasta su sustitución por refrigerantes que no dañen el ozono. Este cambio resultó en el aumento de la variedad de refrigerantes de uso común existentes de 3 a 4 veces mayor y en la necesidad de asegurarse de que las prácticas de los ingenieros sean muy exigentes.

La firma del Acuerdo de Kyoto hace que aumente la necesidad de las prácticas ya que muchos de los sistemas de refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa o indirectamente al calentamiento global.

Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:

La Climatización, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.

La Conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos.

Los Procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear.

La Criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas' empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.

Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación.

El líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero.

Máquinas-herramientas: las máquinas herramientas también llevan incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente.

1.2 - CICLO MECANICO DE REFRIGERACION.

El sistema más generalizado actualmente para la producción de frío es el llamado de Compresión mecánica, consistente en un circuito cerrado en el que se somete un fluido (gas frigorígeno) a sucesivas situaciones de cambios de estado, mediante compresión y expansión, transmitiendo y absorbiendo el calor producido con el ambiente y el medio a refrigerar. Es el llamado Ciclo frigorífico que se representa en la Fig. 1.

Realizamos un transporte de calor, bombeamos, desde una sustancia que se pretende enfriar (foco frío) a otra que está a más temperatura (foco caliente) donde se disipa.

Las cuatro fases que conforman el circuito frigorífico y sus componentes principales son:

1 – Evaporación

2 – Compresión

3 – Condensación

4 – Expansión

Ciclo mecánico de refrigeración

Circuito de refrigeración

Evaporación

El evaporador, que estará instalado en el interior del recinto que se pretende refrigerar, es el componente donde el líquido refrigerante vaporiza absorbiendo energía, enfriando el ambiente.

Compresión.

El compresor aspira los gases que se han producido en el evaporador, aumentando su temperatura, y descargándolo, a alta presión, al condensador.

Para conseguir el aumento de temperatura y presión requerido es necesario suministrar energía al elemento que realiza el trabajo W (compresión). Habitualmente este aumento de presión y temperatura se realiza por compresión mecánica, consiguientemente reduciendo su volumen.

Una característica importante de los compresores es el llamado índice de compresión, que está relación que existe entre las presiones de aspiración y descarga.

Condensación.

El gas comprimido y recalentado es impulsado hacia el condensador en el que el refrigerante se desprende de calor, se satura y condensa, sigue perdiendo calor hasta la total licuefacción.

El condensador es un intercambiador de calor entre el fluido frigorífico y otro fluido al que transmite calor.

Expansión.

Se procede a una disminución de la presión del fluido para facilitar su posterior evaporación. Tiene lugar en el expansor, dispositivo o sistema de expansión.

1.3 – CICLO CARNOT DE REFRIGERACION.

La termodinámica endorreversible se caracteriza por estudiar las máquinas térmicas en las que las irreversibilidades se generan entre la máquina y el medio exterior. Así, estas máquinas son internamente reversibles y externamente irreversibles (Winterbone, 1997). Esta consideración no representa completamente las condiciones de operación de las máquinas reales, pero si un avance en el estudio de las máquinas térmicas. En consecuencia, la termodinámica endorreversible permite obtener modelos que estudian de manera más cercana el comportamiento de las máquinas térmicas reales, lo que no ocurre con la aplicación de la termodinámica clásica.

La representación esquemática de las máquinas térmicas de refrigeración (MTR), tanto reversibles como endorreversibles, se muestra en las siguientes figuras.

Considerando el caso particular de las máquinas térmicas de Carnot de refrigeración, los modelos matemáticos de los Coeficientes de Operación (COP) para los casos, reversible y endorreversible, se describen a continuación:

COP del ciclo reversible, COPC

El ciclo de Carnot de refrigeración reversible, está representado en la figura 2, por los procesos, 1´-4´-3´-2´, entre las temperaturas TA y TB.

El coeficiente de operación de este ciclo (COPC), es, de acuerdo a la termodinámica reversible (Gordon y Chonn Ng, 2000), el que se indica por la ecuación (1):

COP del ciclo endorreversible, COPCE

El ciclo de Carnot de refrigeración endorreversible está representado por las líneas contínuas en la figura 2, y por los procesos 1-4-3-2. Este ciclo se realiza entre las temperaturas TFA y TFB. El coeficiente de operación correspondiente a este ciclo (COPCE) se calcula con la ecuación (2):

A partir de la ecuación (2) se procede a determinar el valor máximo del coeficiente de operación COPCE, que se puede obtener entre las temperaturas TFA y TFB. Esto se hace minimizando la generación de entropía (Quinto-Diez et al., 2002) de este ciclo:

En la ecuación (3), QB, TA y TB son constantes, y la relación TFA/TFB es variable, por lo que la generación de entropía de este ciclo está en función de esta relación, y se expresa como Sgen = ¦(TFA/TFB). En consecuencia, la generación de entropía es mínima, cuando la relación TFA/TFB también es mínima.

La relación (TFA/TFB) está en función de diversos parámetros termodinámicos (Jiménez- Bernal, 2000; Quinto-Diez et al., 2002) como se muestra en la ecuación (4),

en donde, 1/R = QB/t y

La ecuación (4) se minimiza en función de

El resultado que se obtiene es el siguiente:

Como T* debe ser positivo, de las dos soluciones de la ecuación (6), se desprecia la de signo negativo (-), porque de aceptarse esta solución, necesariamente se debe cumplir con la condición (UA)A>(UA)B, y esto limita la aplicación práctica del modelo.

De la ecuación (6), se calcula la temperatura TFB y sustituyendo este resultado en la ecuación (4), se calcula la temperatura TFA, obteniéndose así:

Al sustituir las ecuaciones (7) y (8) en la ecuación (2), se obtiene el máximo Coeficiente de Operación, del ciclo de Carnot de refrigeración endorreversible, COPCE.

La ecuación (9) también se puede expresar como:

Siendo,

La ecuación (10) resulta similar en su estructura, a la del COP del ciclo de Carnot reversible (1), pero sus resultados son diferentes, porque se cumple:

y en consecuencia: COPCE < COPC .

Winterbone (1997) demostró que el valor óptimo del rendimiento térmico endorreversible se obtiene cuando (UA)A = (UA)B. Aplicando este mismo criterio al COPCE expresado en la ecuación (9), se obtiene el siguiente resultado:

en donde, = TB - TFB.

1.4 - REFRIGERANTES, LUBRICANTES, TUBERIAS Y ACCESORIOS.

REFRIGERANTE.

Un refrigerante es un producto químico líquido o gas, fácilmente

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