TEMA9 Refrigeracion

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 9. REFRIGERACIÓN

TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada Tema 9. RefrigeraciTema 9. Refrigeracióónn

TEMA 9: REFRIGERACIÓN

• INTRODUCCIÓN: REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA

• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR

• Ideales

• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento

• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

• Cascadas

• Regeneración (economizadores)

• Licuefacción de gases

• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS

• CICLOS DE ABSORCIÓN



• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: REFRIGERACIN: REFRIGERACIÓÓN EN LA INDUSTRIAN EN LA INDUSTRIA


• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas







Introducción: Refrigeración en la industria

• Operación destinada a mantener la T de un sistema más baja que Tambiente

• <<Refrigeración a baja T>> , para distinguir de agua de refrigeración

• APLICACIONES:

• Op. Separación:

• rectificación a baja T, vacío …

• Cristalización (concent. de zumos, recic. neumáticos) y fusión selectiva

• Liofilización

• Licuación de gases (aire, gas natural, etileno) para transporte o producción

• Conservación de perecederos

• Acondicionamiento de aire

• PRODUCCIÓN DE FRÍO:

• Compresión→enfriamiento→expansión: ciclos de compresión

• Absorción en un líquido→compresión→desorción: ciclos de absorción

• Alto coste debido a la utilización de trabajo/electricidad como energía primaria


Introducción

• REFRIGERADORES/BOMBAS DE CALOR

Dispositivos cíclicos que transfieren el calor de una región de baja temperatura a unade alta temperatura empleando como fluido de trabajo un refrigerante

El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una T bajay extraer el calor de él

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a T alta




• CICLOS DE COMPRESICICLOS DE COMPRESIÓÓN DE VAPORN DE VAPOR

•• IdealesIdeales

•• PrPráácticoscticos. . CCáálculolculo. . CoeficientesCoeficientes de de aprovechamientoaprovechamiento

•• RealesReales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas







Ciclos de compresión de vapor: ideales

CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)

• Método predominante

• Principio: máquina de Carnot invertida

Cq&

Fq&

w&

T ↑

T ↓

Cq&

Fq&

w&

T ↑

T ↓

T

S

Cq&

Fq&

1

43

2

P

H

Cq&

Fq&

1

43

2

Cq&

Fq&

1

43

2

Turbina Compresor

Evaporador

Condensador

• Compresión y expansión isoentrópicas

• Condensación y evaporación isotérmicas

• Compresión y expansión en dos fases


Ciclos de compresión de vapor: ideales

FC

C

CFeneto

CCarnotBC TT

T

TTw

qCOP−

=−

==1

1

,,

FC

F

FCeneto

FCarnotREF TT

TTTw

qCOP−

=−

==1/

1

,,

CICLOS DE COMPRESIÓN (IDEALES)

BOMBA DE CALOR REFRIGERADOR


Ciclos de compresión de vapor: prácticos

CICLOS DE COMPRESIÓN (PRÁCTICOS)

ASPECTOS IMPRÁCTICOS ASOCIADOS AL CICLO DE CARNOT INVERTIDO

• Ciclo invertido de Carnot no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración

• Los procesos de TQ a T = cte no son díficiles de alcanzar en la práctica

• Compresión → mejor en una sola fase (admisión: vapor saturado)

• Expansión: puede hacerse en dos fases a través de una válvula (...) , pero ...

• No se recupera el trabajo (expansión isoentálpica, o de Joule-Thomson)

• El fluido se enfría menos para la misma ∆P




CICLO IDEAL DE COMPRESIÓN DE VAPOR

• La turbina se sutituye por un dispositivo de estrangulamiento (válvula, tubo capilar) EXPANSIÓN ISOENTÁLPICA (irreversible)

• Evaporar el refrigerante por completo antes de quese comprima (1 fase)

• El enfriamiento-condensación es isobárico, no isotérmico. Evaporación a T y P ctes

P

H

1

43

2

,P T ↑

,P T ↓

1-2: Rechazo de calor a P = cte en el condensador hasta líquido saturado(T2>Tamb)

2-3: Expansión isoentálpica hasta obtener una mezcla L+V baja calidad a la Pevap (la T3 < Tespacio refrigerado)

3-4: Absorción a P = cte en un evaporador hasta obtener vapor saturado4-1: Compresión isoentrópica hasta vapor sobrecalentado a la Pcond = P1

T

S

1

2

3 4







• Equipo sencillo, barato y duradero

• Cálculos y propiedades: diagrama P-H →

wcomp=h1-h4 ; qc=h1-h2 ; qF=h4-h3 (/kg o molg)

• Eficacias → Coeficientes de aprovechamiento: alejamiento del ciclo ideal

( )

( )

4 3

1 4

1 2. .

1 4

. . . ,

. . . , 1

F F FREF

C F C F

C C CB C

C F C F

h hq q TC O P Carnotw q q h h T Tq q Th hC O P Carnotw q q h h T T

−= = = =

− − −

−= = = = >

− − −

& &

& & &

& &

& & &

P

H

1

43

2

qc: Área bajo la curva proceso 1-2

qF: Area bajo la curva en el proceso 3-4

Wneto: Área encerrada por el ciclo

Wneto ↓ (COP ↑) cuando Tevap ↑ o Tcond ↓

T

S

1

2

3 4


Ciclos de compresión de vapor: reales

CICLOS REALES DE COMPRESIÓN

FUENTES DE IRREVERSIBILIDADES

• Caídas de presión (fricción del fluido)

• TQ desde o hacia los alrededores

1- Vapor entra al compresor ligeramentesobrecalentado

2- Proceso de compresión: los efectosfriccionantes aumentan la entropía (proceso 1-2) y la transferencia de calor puede aumentar o disminuir la entropía (1-2’): deseable proceso1-2’ menor requerimiento de trabajo

3- El refrigerante se subenfría ligeramente antes de entrar al evaporador





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTESREFRIGERANTES

•• SelecciSeleccióónn


• Cascadas







Refrigerantes

• REFRIGERANTE: “El cuerpo que se emplea para absorber calor y retirarlo del sistema, ya sea en forma de calor latente (habitual) o calor sensible”

• REFRIGERANTES MÁS COMUNES (con TSAT a 1 atm):

• NH3 (-33ºC)

• Freones (CFC): R12 (CCl2F2,-29), R22 (CHClF2 ,-41), R114 (C2Cl2F4,+4), R134a (CF3CH2F,-30)

Los freones completamente halogenados destruyen la capa del ozono(efecto invernadero, calentamiento global); los no halogenadoscompletamente, menor capacidad de destrucción (R-134a, libre de cloro)

• Hidrocarburos: propano (-42ºC), etano, etileno

• CO2 (Tsub= -78ºC)

• Aire

• H2O (hielo, hielo con salmueras)

• Salmueras (problemas de corrosión sustituidos por anticongelantes: etilen-propilen-glicol, metanol, glicerina


Selección de refrigerantes

• SEGURIDAD:

• Inertes, no explosivos, no tóxicos (NH3 prohibido en núcleos poblados)

• No contaminantes: CFC → Capa de ozono. → nuevos refrigerantes no (Cl y F)

• CRITERIOS TÉCNICOS:

• Entalpía de vaporización elevada

• Densidad del vapor reducida

• Capacidades caloríficas de líquido y vapor altas

• Relación de compresión favorable

• SELECCIÓN DE REFRIGERANTES:

• TEVAP (mínima) → PSAT (mínima) > 1 atm para evitar infiltraciones de aire

• Transferencia de calor razonable evaporador → ∆T mínima = 10ºC

• TCOND =TAMBIENTE+∆TCOND ; debe ser << que T crítica


Propiedades de refrigerantes


Propiedades de refrigerantes

APLICACIONES





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección

• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIPROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN

•• CascadasCascadas

•• RegeneraciRegeneracióónn ((economizadoreseconomizadores))

•• LicuefacciLicuefaccióónn de gasesde gases





• Aplicaciones industriales que requieren T moderadamente bajas (gran nivel de presión en el ciclo) ciclo en una etapa no práctico

• Dos o más ciclos de refrigeración queoperan en serie

• Dos etapas: intercambiador de calorconecta los dos ciclos: evaporador del ciclosuperior y condensador del ciclo inferior

• Mejoran el rendimiento (pero masinmovilizado): wcompresor disminuye y la capacidad de refrigeración aumenta

• Un solo refrigerante o distintos

• Permiten grandes variaciones de T (con distintos refrigerantes)

Procedimientos en sistemas de refrigeración: cascadas

CASCADAS


Regeneración (economizadores)

• Sistemas multietapa: el intercambiador de calor entre lasetapas (cascada) se sustituye poruna CÁMARA DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA (cámara de mezclamejores características de TQ)

• Sistema de cascada con refrigeranteúnico y transmisión de calor directa(mezcla)

• Reducen el flujo en la zona de altapresión

• Compresión se asemeja a unacompresión en dos etapas con interenfriamiento (disminuye w)

• Proporcionan varios niveles de T


Licuefacción de gases

• Área importante de la refrigeración PROCESOS CRIOGÉNICOS(T < -100ºC) dependen de gases licuados:

• Separación de O2 y N2 del aire

• Estudio de propiedades a bajas T

• GASES LICUADOS COMUNES: He, N2 e H2

(Tc,He = -268ºC; Tc,H2 = -240ºC y Tc,N2 =-147ºC (no existirán en forma líquida en condiciones atmosféricas)

• ¿Cómo reducir la T de estos gases por debajo de la Tc?

• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON



• Ciclos en licuefacción de gases CICLO DE LINDE-HAMPSON

2-3: Compresión multietapa con refrigeración intermedia

3-4: Primer enfriamiento

4-5: Segundo enfriamiento en el regenerador

5-6: Expansión en la válvula hasta mezcla L-V

7: Producto líquido deseado

8-9: Vapor se calienta en el regenerador

El gas 9 +gas de reposición 1 = gas 2 (inicia el ciclo)







• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas



• SISTEMAS DE REFRIGERACISISTEMAS DE REFRIGERACIÓÓNN




Sistemas de refrigeración

• Aplicaciones que requieren refrigeración a más de una T

• Disposiciones muy complejas, buscando la eficacia

• Unos pocos elementos básicos


Sistemas de refrigeración: EJEMPLO

UNIDAD REFIGERADOR-CONGELADOR CON UN COMPRESOR

• Enviar todas las corrientes de salida de los evaporadores a un solo compresor

• El compresor realiza el trabajo de compresión

• Válvula de expansión a P más alta (T más alta) ESPACIO REFRIGERADO

• Válvula de expansión hasta Pmínima CONGELADOR





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas




• CICLOS DE REFRIGERACICICLOS DE REFRIGERACIÓÓN DE GASN DE GAS



Ciclos de refrigeración de gas

• Ciclo de BRAYTON INVERTIDO

1-2: Compresión isoentrópica

2-3: Enfriamiento a P = cte

3-4: Expansión isoentrópica

4-1: Calentamiento a P = cte

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS


Ciclos de refrigeración de gas

• Incluyen componentes simples más ligeros (aviones)

• Pueden incorporar regeneración (licuefacción de gases)

CarnotCompresióninvBrayton

salturbecomp

L

eneto

LinvBrayton

COPCOPCOP

wwq

wqCOP

<<

−==

,

,,,,

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS CON REGENERACIÓN





• Ideales


• Reales

• REFRIGERANTES

• Selección


• Cascadas





• CICLOS DE ABSORCICICLOS DE ABSORCIÓÓNN


Sistemas de refrigeración por absorción

• Forma de refrigeración económica cuando existe una fuente de energía térmica barata (100 a 200ºC) “aprovechamos calor de baja T para producir frío”

• Energía geotérmica

• Energía solar

• Calor desecho de cogeneración o planta de vapor de proceso

• Implica absorción de un refrigerante por un medio de transporte

• NH3 (ref)-Agua

• Agua (ref)-bromuro de Li; Agua (ref)-cloruro de Li

• Similar al ciclo de compresión de vapor COMPRESOR: Absorbedor + Bomba + Regenerador + Generador vapor + Rectificador y una válvula

• VENTAJAS

• Se comprime un líquido en vez de un vapor (wflujo ↓ suele ser despreciable)

• Trigeneración: calor; frío; energía eléctrica

• INCONVENIENTES

• Costosos, complejos, ocupan espacio

• Menos eficientes

• Requieren torres de enfriamiento más grandes para liberar qresidual


Sistemas de refrigeración por absorción

Alta P

Baja P

Absorción + Reacción

Reacción exotérmica

Retirar q para disolver la mayor cantidad NH3 posible

Ds. Concentrada

NH3

Ds. Diluida

NH3

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONIACO

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