Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

1. Facultad de Ingeniería. División de Ciencias Básicas Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Rigel Gámez Leal

2. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Introducción El campo de la refrigeración incluye los refrigeradores domésticos, la congelación de carnes, frutas y legumbres, enfriamento de locales, fabricación de hielo, procesos industriales y plantas criogénicas, por mencionar sólo algunas. Para lograr esto, lo que se hace es un proceso mediante el cual un dispositivo retira energía de un depósito de temperatura baja para llevarlo a un depósito de temperatura alta, sin embargo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, esto es imposible de lograr a menos que se utilice trabajo.

3. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor El éter etílico fue el primer refrigerante utilizado para el comercio de sistemas por compresión de vapor en 1850, le siguieron otros como el amoniaco, dióxido de carbono, cloruro metílico, butano, etano y gasolina, entre otros. Los problemas presentados como consecuencia de las fugas de los primeros refrigerantes que causaron lesionados y muertos, en la década de los veinte, trajo como consecuencia la limitación y finalmente la prohibición del uso de los primeros refrigerantes.

4. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En 1928, la compañía Frigidaire Corporation, desarrolló el R-21, el primer miembro de la familia de los refrigerantes de clorofluorocarbonos. Después de algunos años, esta empresa eligió al R-12 como el refrigerante más adecuado para uso comercial y le dio a esta familia de compuestos el nombre comercial de “freón”. Sin embargo, los refrigerantes R-12 y R-22 se han identificado como contribuyentes en la degradación de la capa de ozono y en el efecto invernadero, por lo que los refrigerantes R-134a y R-123 se han usado como reemplazos de los anteriores.

5. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Descripción del ciclo Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida a fase de vapor. En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo: el evaporador, lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico; el condensador-enfriador, que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la válvula de expansión que es un tubo capilar.

6. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor El diagrama que representa los cuatro elementos mencionados con anterioridad y que conforman el ciclo es:

7. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En el compresor se eleva la presión de la sustancia que se encuentra en su fase gaseosa y, por consiguiente, se eleva también su temperatura.

8. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Después de salir del compresor, la sustancia, todavía en su fase gaseosa, entra al condensador-enfriador, donde rechaza calor al medio ambiente, debido a una diferencia de temperatura que guarda con éste. Debido a esta disminución de su energía, la sustancia baja su temperatura y después se condensa, cambiando de fase gaseosa a la fase líquida. En todo este proceso se considera que la presión permanece constante.

9. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Una vez que la sustancia en la fase líquida sale del condensador, entra a la válvula de expansión, produciéndole un estrangulamiento (en el que la entalpia a la entrada es igual a la de salida) que baja la presión de la sustancia y disminuye su temperatura a un valor menor que la temperatura ambiente, en un estado cercano al líquido saturado correspondiente a esta presión y temperatura.

10. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor La sustancia se ha empezado a evaporar en la válvula de expansión, pero se procura que la mayor parte de la evaporación se lleve a cabo en el evaporador donde la sustancia toma la energía necesaria para su evaporación del medio que se desea refrigerar o enfriar. Este proceso es a presión y temperatura constantes.

11. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Una vez que sustancia se ha evaporado totalmente, entra en el compresor para iniciar un nuevo ciclo al comprimir el gas y llevarlo a un estado de vapor sobrecalentado con un aumento en su presión y temperatura.

12. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Flujos energéticos asociados al ciclo:

13. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Flujos energéticos asociados al ciclo:

14. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Flujos energéticos asociados al ciclo:

15. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Procesos En el compresor: proceso adiabático

16. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En el condensador-enfriador: proceso isobárico

17. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En la válvula de expansión: proceso isoentálpico

18. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En el evaporador: proceso isobárico

19. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Balance de energía   Dado que la eficiencia está dada por   =   Se tiene que en el caso del refrigerador, un indicador de su funcionamiento está dado por   = donde  se le conoce como coeficiente de operación o rendimiento, el cual también se puede escribir como  =

20. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En el evaporador: {q}4-1 + {w}4-1 = [ec + ep + h]4-1 como {w}4-1 = 0 ec 4-1 = 0 ep 4-1 = 0 entonces {q}4-1 = h4-1 = h1 – h4

21. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor En el compresor: {q}1-2 + {w}1-2 = [ec + ep + h]1-2 como {q}1-2 = 0 ec 1-2 = 0 ep 1-2 = 0 entonces {w}1-2 = h1-2 = h2 – h1

22. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Por lo tanto  = dado que, en la válvula de estrangulamiento: h3 = h4  podemos escribir también:  =

23. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Dispositivo de refrigeración del laboratorio:

24. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Una unidad para medir la capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración muy utilizada en la industria es la tonelada de refrigeración que, en el SI, equivale aproximadamente a 3.5 [kW]

25. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor Referencias bibliográficas: * Sears, Zemansky, Young y Freedman. “Física Universitaria”. Addison Wesley. Undécima edición. México 2004. * González O. R., Núñez O. F. “Apuntes de Principios de Energética”. UNAM. Facultad de Ingeniería. México 1985. Agradecimientos: María Eugenia Macías Ríos Martín Bárcenas Escobar