CLASE N°3 REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL
ME-092 INGENIERÍA DEL ÁMBITO TÉRMICO
Prof. Nelson R. Melo Arce
(Martes 14:45-16:15 – Miércoles 14:45-16:15)
La refrigeración es el proceso de extracción de calor de una sustancia o espacio, lo que resulta en una
temperatura inferior a la de sus alrededores. Cualquier método que pueda disminuir la temperatura
desde el ambiente hasta el cero absoluto implica un proceso de refrigeración.
Existen varios métodos para lograr este proceso:
•
•
•
Medios Termoeléctricos
Sistema de Compresión de Vapor
Sistema de Compresión de Gas
En este caso, nos centraremos en el sistema de compresión de vapor. Los sistemas de compresión
mecánica que utilizan vapores refrigerantes son los más comunes.
El enfriamiento se lleva a cabo mediante la evaporación del líquido refrigerante a presiones y
temperaturas reducidas. Luego, mediante compresión mecánica, se eleva la temperatura de saturación
del vapor, lo que permite su condensación mediante la transferencia de calor al aire del ambiente o al
agua de enfriamiento. El líquido a presión relativamente alta se expande en un intercambiador de
calor, donde se evapora. Este proceso de expansión generalmente se realiza en una válvula de
estrangulamiento. Este sistema opera como un ciclo termodinámico cerrado.
El coeficiente de funcionamiento (COP) expresa la efectividad de un sistema de refrigeración y se
calcula como:
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄
𝑊
Donde Q viene siendo el efecto refrigerante útil y W la energía neta suministrada por una fuente
externa. En un sistema de compresión mecánica la fuente externa suministra trabajo.
El rendimiento de refrigeración 𝜂 expresa la aproximación del ciclo a un ciclo ideal reversible, y se
calcula como:
𝜂=
𝐶𝑂𝑃
(𝐶𝑂𝑃)𝑟𝑒𝑣
El Ciclo Invertido de Carnot:
Siendo reversible este modelo es perfecto para los ciclos de refrigeración. Existen dos conceptos
útiles:
•
Un ciclo de refrigeración no puede tener mayor coeficiente de funcionamiento que un ciclo
reversible cuando ambos operan entre las mismas temperaturas.
•
Todos los ciclos reversibles que operan entre el mismo rango de temperaturas poseen el
mismo COP.
El calor se extrae desde la región refrigerada a la temperatura constante 𝑇𝐿 y se entrega a una
temperatura constante 𝑇𝐻 . El ciclo se completa con una expansión y una compresión, ambas
isentrópicas. La energía transferida se expresa como:
𝑄𝐿 = 𝑇𝐿 (𝑠2 − 𝑠1 )
𝑄𝐻 = 𝑇𝐻 (𝑠3 − 𝑠4 )
𝑊 = 𝑄𝐻 − 𝑄𝐿
Entonces:
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄
𝑄𝐿
𝑇𝐿 (𝑠2 − 𝑠1 )
𝑇𝐿
=
=
=
𝑊 𝑄𝐻 − 𝑄𝐿 𝑇𝐻 (𝑠2 − 𝑠1 ) − 𝑇𝐿 (𝑠2 − 𝑠1 ) 𝑇𝐻 − 𝑇𝐿
¿Qué Problemas Presenta Este Ciclo Ideal?
•
•
•
Los procesos isentrópicos NO PUEDEN APROXIMARSE lo suficiente en la practica
Es DIFICIL mantener condiciones isotérmicas
No puede aproximarse a DISPOSITIVOS REALES
Entonces debido a estas consideraciones, se realizan los siguientes cambios:
•
•
•
•
1-2 Compresión isentrópica en un compresor
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión (válvula isoentálpica)
4-1 Adición de calor a presión constante en un evaporador
Con esto nace el ciclo de compresión estándar, que se observa en la siguiente figura:
Antes de profundizar en este ciclo, es importante familiarizarse con otro tipo de gráfico además del
diagrama temperatura-entropía (T-S). El nuevo gráfico por utilizar es el diagrama de presión-entalpía
(P-h) o diagrama de Mollier. Este diagrama es único para cada refrigerante y presenta las siguientes
características:
Curva de saturación:
Calidad:
Presión:
Entalpia:
Temperatura:
Entropia:
Comparación del Ciclo Ideal con Carnot
Comparar el ciclo ideal con el ciclo de Carnot ayuda a observar que tanta diferencia hay entre
ambos ciclos teóricos al observar las áreas sombreadas que se forman:
•
•
•
𝐴1 : Trabajo adicional requerido por el compresor
𝐴2 : Trabajo adicional del proceso de expansión
𝐴3 : Perdida de efectos de refrigeración por el estrangulamiento
Calculo Termodinámico Ciclo Estándar de Compresión
Un ciclo estándar de compresión de vapor desarrollando 50 KW de refrigeración utiliza refrigerante
R134-a operando a una temperatura de evaporación de -10° y a una temperatura de condensación de
32°C.
Diagrama Log P-h
Datos termodinámicos obtenidos de tabla correspondiente al R134-a
1
2
3
4
T °C
-10
40
35
-10
P KPa
200.6
887.91
887.91
200.6
V m3/Kg
0.0996
-
H KJ/Kg
392.9
423.7
249.2
249.2
S KJ/KgK
1.7341
1.7341
-
a) Efecto refrigerante
Corresponde a los 50 KW de refrigeración que genera, por lo tanto
𝑄𝐿 = 50 𝐾𝑊
b) Caudal masico
El caudal masico se puede calcular mediante un balance de energía en el evaporador, debido
que se conoce el valor de 𝑄𝐿 entonces:
𝑄𝐿 = 𝑚̇𝑟 (ℎ1 − ℎ4 )
𝑄𝐿
50
𝐾𝑔
𝑚̇𝑟 =
=
= 0.3479
ℎ1 − ℎ4 392.9 − 249.2
𝑠
c) Potencia requerida por el compresor
La potencia requerida por el compresor o el trabajo se puede calcular realizando un balance
entre los puntos que envuelven al compresor, obteniendo:
𝑊𝑡ℎ = 𝑚̇𝑟 (ℎ2 − ℎ1 ) = 0.3479(423.7 − 392.9) = 10.72 𝐾𝑊
d) COP
Conociendo el efecto refrigerante y el trabajo el COP obtenido se calcula como:
𝑄𝐿
50
𝐶𝑂𝑃 =
=
= 4.66
𝑊𝑡ℎ 10.72
e) La potencia por KW de refrigeración
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝐾𝑊𝑟𝑒𝑓 = 𝑊𝑡ℎ ∗ 𝑄𝐿 =
10.72
𝐾𝑊𝑤
= 0.2144
50
𝐾𝑊𝑄
f) Caudal volumétrico a la entrada del compresor
𝑣̇𝑎 = 𝑚̇𝑟 ∗ 𝑣1 = 0.3479 ∗ 0.0996 = 0.035
g) Temperatura de descarga compresor
𝑘−1
1.19−1
𝑚3
𝑠
𝑃2 𝑘
887.91 1.19
𝑇2𝑠 = 𝑇1 ( )
= 263.15 (
)
= 60.54 °𝐶
𝑃1
200.6