CONCEPTOS TERMODINÁMICOS REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECANICA CONCEPTOS TERMODINÁMICOS M.C. MARIA LUISA COLINA IREZABAL.

CICLO DE CARNOT Las máquinas frigoríficas basan su funcionamiento en el Ciclo de Carnot, en donde: se recibe energía (Q1) de un foco caliente a alta temperatura (T1 ) bomba se convierte una porción de energía calorífica en trabajo (w) y de se cede la restante energía (Q2) a un foco frío a baja temperatura (T2) calor Esquema de una máquina de Carnot Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina: absorbe calor de la fuente fría máquina cede calor a la fuente caliente, frigorífica teniendo que suministrar trabajo a la máquina

Sistema Frigorífico por Compresión Mecánica Simple

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA

DIAGRAMAS DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN Son diagramas que presentan las propiedades termodinámicas de los refrigerantes y son particularmente útiles en el cálculo y diseño de los sistemas de refrigeración Normalmente se emplean 2 tipos de Diagramas: Diagramas Presión – Entalpía (P-H) También llamados Diagramas de Mollier. En estos, la Presión (kPa o Bar) se grafica en escala logarítmica sobre el eje vertical (y) y sobre el eje horizontal (x), la Entalpía (kJ/kg o kcal/kg). Son los mas utilizados 2) Diagramas Temperatura – Entropía (T-S) También llamados Diagramas Izart. En estos, la Temperaturaq (ºC o K) se grafica sobre el eje vertical (y) y sobre el eje horizontal (x), la Entropía (kJ/kgK o kcal/kgºC)

región líquido sub-enfriado DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA Presión región líquido sub-enfriado Entalpía

DIAGRAMA TEMPERATURA-ENTROPÍA

Para el ciclo de compresión mecánica del vapor se pueden hacer las siguientes consideraciones: La caída de presión del refrigerante durante los proceso de condensación y evaporación es despreciable, por lo que ambos procesos se pueden considerar isobáricos e isotérmicos El proceso de compresión se realiza a entropía constante, dado que se considera que no hay intercambio de calor con los alrededores y toda la energía aplicada al compresor se convierte en trabajo El proceso de expansión en la válvula se realiza a entalpía constante

1) Evaporación (adición de calor isotérmica) Por lo tanto, en el ciclo de refrigeración por compresión mecánica simple el fluido refrigerante pasa por 4 procesos, que desde el punto de vista termodinámico son: 1) Evaporación (adición de calor isotérmica) 2) Compresión adiabática (proceso isoentrópico) 3) Condensación (cesión de calor isotérmica) 4) Expansión adiabática (proceso isoentálpico) Estos procesos pueden representarse en Diagramas Presión-Entalpía o Temperatura-Entropía

Evaporación: 4 – 1 El proceso 4 -1: es la evaporación del refrigerante en el evaporador. Este proceso se efectúa a presión y temperatura constantes (PROCESO ISOBÁRICO e ISOTÉRMICO) A medida que el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio refrigerado, se incrementa su entalpía. En el punto 1 el refrigerante está totalmente vaporizado y es un vapor saturado a la presión (y por lo tanto temperatura) vaporizante

4 1 Evaporación: 4 – 1

Compresión: 1 - 2 En el proceso 1 -2 hay un aumento en la presión del vapor debido a la compresión , efectuándose un trabajo sobre el vapor refrigerante (llamado calor de compresión). La energía interna (entalpía) se incrementa pero por ser un proceso adiabático, la entropía permanece constante (PROCESO ISOENTRÓPICO) Como resultado de la absorción de calor en la compresión, el vapor descargado por el compresor está sobrecalentado

2 4 1 Compresión: 1 – 2

2 – 2’ Eliminación del sobre-calentamiento 2’ 2 4 1 (enfriamiento hasta la temperatura de saturación): 2 – 2’

A la salida del condensador el refrigerante es un líquido saturado Condensación: 2’ - 3 Para que el vapor sea condensado debe eliminarse el sobrecalentamiento, bajando su temperatura hasta la de saturación correspondiente a su presión (2’). La diferencia de entalpías entre los puntos 2 y 2’, es calor sensible (sobrecalentamiento) y entre 2’ y 3 es calor latente de condensación, que se realiza a TEMPERATURA Y PRESIÓN CONSTANTES A la salida del condensador el refrigerante es un líquido saturado

3 2’ 2 4 1 Condensación 2’ – 3

A la salida de la válvula, el refrigerante es una mezcla vapor-líquido Expansión: 3 – 4 El proceso 3 - 4 es una reducción desde la presión de condensación hasta la presión de evaporación. Cuando el líquido es expandido al atravesar el orificio de la válvula, se produce vaporización de una parte del líquido a expensas de la disminución en la temperatura del resto del líquido. La expansión es adiabática, no hay cambio en la entalpía del refrigerante. A la salida de la válvula, el refrigerante es una mezcla vapor-líquido En el punto 4 el refrigerante vuelve a poseer las mismas características que cuando inició el ciclo.

3 2’ 2 4 1 Expansión: 3 – 4

Diagramas del Ciclo de Refrigeración Evaporación: 4 – 1 (isotérmica e isobárica) Compresión: 1 – 2 (isoentrópica) Condensación: 2’ – 3 (isotérmica e isobárica) Expansión: 3 – 4 (isoentálpica)

El calor eliminado del refrigerante en el condensador, debe ser igual al calor absorbido por el refrigerante en todos los demás puntos del ciclo