Universidad Técnica Nacional Sede del Pacífico Ingeniería en producción industrial Curso: Termodinámica

12 

Texto completo

(1)

Universidad Técnica Nacional

Sede del Pacífico

Ingeniería en producción industrial

Curso:

Termodinámica

Tema de investigación:

Ciclo de compresión de vapor

Integrantes:

Sofía Pérez Camareno

Kattia Xiao Guan

18 de abril del 2018

(2)

Tabla de contenido

Introducción ...3

Desarrollo ...4

Conclusión ...11

(3)

Introducción

En el presente trabajo se investigara sobre el tema denominado “ciclo de compresión de vapor” para adquirir el conocimiento necesario de tal manera que pueda ser aplicado en la industria, para abarcar dicho tema se requiere la definición de términos relacionados a la investigación como por ejemplo el concepto de refrigeración.

Para los ciclos de refrigeración por compresión de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilización como ciclo de referencia para evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por compresión de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeración bajo el esquema de los ciclo termodinámicos.

(4)

Desarrollo

Existen diversos conceptos relacionados al término de “refrigeración” algunos de estos serán desarrollados a continuación:

De acuerdo con el libro (Ángel Luis Miranda Barreras, 2004), se entiende por refrigeración, de una forma genérica y popular al enfriamiento de ciertas sustancias. Pero enfriar es extraer calor y para extraer calor necesitamos un foco más frio que la sustancia que deseamos enfriar.

Por otra parte desde un punto de vista de ingeniería la refrigeración es el conjunto de técnicas que permiten enfriar una sustancia y mantenerla fría durante el tiempo que haga falta (desde un segundos hasta años).

Así mismo, se entiende por refrigeración a la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior.

El ciclo de compresión de vapor también se relaciona con el ciclo denominado Carnot inverso, de achurado con el libro (Michael J. Moran, Fundamentos de termodinámica técnica, 2004) este es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot.

Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot. Aunque en la práctica no es utilizado por razones que más adelante se expondrán, sirve de referencia para evaluar el desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura.

Según el libro (Çengel, 2012) hace referencia al ciclo de compresión de vapor, el cual indica que en el proceso de este ciclo se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones:

(5)

• Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo

más económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar).

• La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación. Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o tubo capilar (ver figura 1)

Figura 1. Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.

Funcionamiento del ciclo de compresión de vapor

Como primer paso en el compresor se eleva la presión de la sustancia que se encuentra en su fase gaseosa y, por consiguiente, se eleva su temperatura.

Seguidamente 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 este.

(6)

Una vez que la sustancia liquida sale del condensador, entra a la válvula de

expansión, produciéndole un estrangulamiento (en el que la entalpia a la entra es igual a la salida) que baja la presión de la sumancia y disminuye su temperatura a un valor menos que la temperatura ambiente, en un estado cercano al líquido saturado correspondiente a esta presión y temperatura.

Como cuarto paso 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 contante.

Una vez que la 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.

Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:

La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada así:

(7)

Los siguientes principios de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración se obtuvieron del libro (Michael J. Moran, Fundamentos de termodinámica técnica, 2004):

Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante (ver figura 1), que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría.

Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver figura 1). El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas.

Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento.

Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador.

Procesos de la gráfica de temperatura – entropía

1-2 Compresión isentrópica en un compresor (proceso isentrópico)

(8)

3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión (proceso isoentálpico) 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador (proceso isobárico)

Aplicaciones del ciclo de compresión de vapor en la industrial

Planta simple de vapor

La figura 2 muestra un diagrama esquemático de una planta simple de vapor. El vapor sobrecalentado a alta presión sale de la caldera, que es un elemento del generador de vapor y entra a la turbina. El vapor se expande en la turbina y mediante esto efectúa un trabajo, lo cual hace que la turbina mueva un generador eléctrico. El vapor a baja presión sale de la turbina y entra al condensador, en donde el calor es transmitido del vapor (haciendo que se condense) al agua de enfriamiento. Debido a que se requieren cantidades muy grandes de agua, las plantas de fuerza están situadas cerca de los ríos o los lagos. Cuando el agua disponible es limitada, podrá utilizarse una torre de enfriamiento. En la torres de enfriamiento, parte del agua se evapora, de tal modo que baja la temperatura del agua remanente. La presión del condensado, al salir del condensador, se aumenta por medio de una bomba que lo hace fluir dentro del generador de vapor.

En muchos generadores de vapor se utiliza un economizador. El economizador es simplemente un cambiador de calor en el cual el calor es transmitido de los productos de combustión al condensado, aumentando la temperatura de éste, pero sin que se efectúa ninguna evaporación.

(9)

Figura 2.Diagrama esquemático de una planta simple de vapor

Producción de plástico

Dispositivos de mando para el transporte y la distribución de material para fluido, accionamiento de válvulas y cierre de silos.

Fabricación de piezas de plástico

Ajuste de los rodillos de la calandra, accionamiento de las cuchillas, dispositivos de cierre para embutición profunda, dispositivos de soldadura y prensado, control de avance de cintas, dispositivos de conformación, encolar, accionamiento de dispositivos de seguridad tales como ventanas y puertas en máquinas e instalaciones, moldeadoras, dispositivos de corte a medida.

Fabricación de piezas de goma

Dispositivos de seguridad, accionamiento de mando y de trabajo para dispositivos encadenados te transporte y de producción, dispositivos de cierre en mezcladores e instalaciones de vulcanización, dispositivos de control.

De acuerdo con (BOLES, 2012) otra de las aplicaciones más modernas, en las que se hace uso del ciclo de refrigeración por compresión de vapor se ve reflejado en:

• Refrigeradores

• Sistemas de acondicionamiento de aire

(10)

Ejemplo 1

(11)

Conclusión

De acuerdo con la investigación realizada acerca del tema denominado ciclo de compresión de vapor se concluye que este ciclo se relaciona con el ciclo de Carnot, debido a que presentan el mismo procedimiento pero con ciertas modificaciones (detalladas en el desarrollo) lo que lo convierte en el ciclo de compresión de vapor además se alcanzó a conocer la importancia que presenta este ciclo en los diferentes tipos de industria, así mismo la definición que este presenta.

Por otra parte se descubrió una serie de fórmulas la cuales nos ayudan a averiguar ciertas variables relacionadas con el ciclo de compresión de vapor. También se logró conocer los pasos del funcionamiento que presenta el ciclo de compresión de vapor.

(12)

Bibliografía

Ángel Luis Miranda Barreras, Á. L. (2004). Ciclos de refrigeración. Grupo Planeta (GBS). BOLES, Y. A. (2012). Termodinamica septima edicion . Mexico, DF: McGraw.

Figure

Figura 1. Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor

Figura 1.

Esquema y diagrama T s para el ciclo ideal de refrigeraci n por compresi n de vapor. View in document p.5
Figura 2. Diagrama esquemático de una planta simple de vapor

Figura 2.

Diagrama esquem tico de una planta simple de vapor . View in document p.9