Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 1.

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1 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 1 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Sistemas de refrigeración - 2

2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 2 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasTemas Sistemas de compresión de vaporSistemas de compresión de vapor –Sistemas en cascada –Sistemas de interenfriamiento Sistemas de refrigeración por gasSistemas de refrigeración por gas

3 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 3 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Sistemas en cascada

4 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 4 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Sistemas en cascada Intercambiador de calor cerrado, i.e., los fluidos de trabajo de los ciclos A y B no se mezclan. Intercambiador de calor cerrado, i.e., los fluidos de trabajo de los ciclos A y B no se mezclan. Los fluidos de trabajo en los dos ciclos no tienen que ser los mismos. A B QLQLQLQL QHQHQHQH W entra

5 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 5 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Sistemas de interenfriamiento

6 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 6 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Sistemas de interenfriamiento Intercambiador de calor por contacto directo Cámara flash; válvula de dos fases cerradas. QLQLQLQL QHQHQHQH W entra,A W entra,B A B m = 1 m = 1-x m = x

7 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 7 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Diagrama T-s para sistemas de interenfriamiento sT1 2 3 4 6 5 8 7 9 W entra,A W entra,B QHQHQHQH QLQLQLQL (x) (1-x) (1-x)

8 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 8 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas

9 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 9 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Ciclo Brayton inversoCiclo Brayton inverso AplicacionesAplicaciones –Acondicionamiento de aire en aeronaves –Licuefacción de gases VentajasVentajas –Poco peso (compresor centrífugo) –Refrigerantes seguros para el ambiente DesventajaDesventaja –Alto consumo de energía (COP bajos) Ciclos de refrigeración por gas

10 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 10 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Ciclo básico de refrigeración QHQHQHQH QLQLQLQL 1 23 4 W entra ExpansorCompresor

11 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 11 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Diagrama T-s para el ciclo básico de refrigeración T0T0T0T0 TLTLTLTLTs 1 3 2 4 Temperatura ambiente Temperatura del espacio refrigerado QLQLQLQL QHQHQHQH

12 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 12 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Coeficiente de rendimiento del ciclo básico de refrigeración por gas Para el refrigerador de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura: QHQHTs 3 4 1 2 QLQL T0T0T0T0 TLTLTLTL b a El área dentro del ciclo 1-b-3-a-1 representa la entrada de trabajo para el Refrigerador limitante de Carnot. QHQH T s 3 4 1 2 QLQL

13 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 13 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Coeficiente de rendimiento del ciclo básico de refrigeración por gas (1) (1)La razón de presión más baja posible es la que se obtiene con el refrigerador de Carnot para los dos límites de temperatura. (2) Cuando T 2  T 3 y T 1  T 4, se obtiene el límite de Carnot. (1) (1)La razón de presión más baja posible es la que se obtiene con el refrigerador de Carnot para los dos límites de temperatura. (2) Cuando T 2  T 3 y T 1  T 4, se obtiene el límite de Carnot. Para compresión y expansión reversibles: QHQHTs 3 4 1 2 QLQL

14 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 14 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasEjemplo

15 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 15 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasEjemplo Una planta de refrigeración por gas utiliza aire como fluido de trabajo, y el ciclo Brayton de aire estándar con una razón de compresión de 4:1. El espacio por enfriar está a 300 R. ¿Cuál es la razón de compresión que se necesita para que opere como un refrigerador de Carnot? El ambiente se encuentra a 400 R. 1 23 4 QLQLQLQL QHQHQHQH 3 4 1 2 T s T0T0T0T0 TLTLTLTL QHQHQHQH QLQLQLQL

16 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 16 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasEjemplo Se dan: (1) Ciclo Brayton de aire estándar (2) El aire es un gas ideal con k = 3.5 (3) P 2 /P 1 = P 3 /P 4 = 4. (4) Compresión y expansión isentrópicas, transferencia de calor internamente reversibles (4-1, 2-3) (5) T 1 = 300 R (6) T 3 = 400 R 1 23 4 QLQLQLQL QHQHQHQH 3 4 1 2 T s T0T0T0T0 TLTLTLTL QHQHQHQH QLQLQLQL

17 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 17 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasEjemplo Solución : Determinar los COP reales y de Carnot. Después, obtener la razón de presión para el COP de Carnot. Ts 3 4 1 2 T 0 = 400 T L = 300 QHQHQHQH QLQLQLQL

18 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 18 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Usar el COP de Carnot para obtener la razón de presión, con el requerimiento de procesos de compresión y expansión isentrópicos. Ts 3 4 1 2 T 0 = 400 T L = 300 QHQHQHQH QLQLQLQLEjemplo

19 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 19 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasAplicaciones Espacio de enfriamiento Licuefacción de gases

20 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 20 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gasAplicaciones24 Ciclos cerrados Licuefacción de gases Ciclos cerrados Licuefacción de gases Ciclos abiertos Enfriamiento de cabinas de aeronaves Ciclos abiertos Enfriamiento de cabinas de aeronaves1 3 T s T s 1 2 4 3

21 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 21 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Licuefacción de gases Usan un ciclo de refrigeración por gas con un regenerador. Este es el ciclo idealizado con un regenerador. Otras configuraciones del sistema son posibles. QLQLQLQL QHQHQHQH ExpansorCompresor 345 6 1 2 QHQHQHQH T s 1 2 5 4 6 3

22 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 22 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Licuefacción de gases WQ Se hace entrar gas Salida de líquido 43 2 1

23 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 23 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Licuefacción de gases T s 2 (m = 1) 1 (m = 1-y) P atm 3 (m=1) 4 (m=1-y) 4’ (m = y)

24 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 24 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Fin de Sistemas de refrigeración - 2

25 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 10. Módulo 2. Transparencia 25 Sistemas de refrigeración - 2 Sistemas de compresión de vapor - 2 Sistemas de refrigeración por gas Términos y conceptos clave Sistemas de refrigeración en cascada Sistemas de refrigeración por gas Licuefacción de gases