JORNADA IBEROAMERICANA SOBRE EL ENFRIAMIENTO SOLAR;
JORNADA IBEROAMERICANA SOBRE EL ENFRIAMIENTO SOLAR; TECNOLOGÍA PTECNOLOGÍA PARA ELARA EL DESARROLLO ECONÓMICO Y SOCIAL DE LA REGIÓN IBEROAMERICANA
DESARROLLO ECONÓMICO Y SOCIAL DE LA REGIÓN IBEROAMERICANA
Centro de Formación de la Cooperación Española Centro de Formación de la Cooperación Española
Cartagena de Indias, Colombia Cartagena de Indias, Colombia
17 al 21 de mayo de 2004 17 al 21 de mayo de 2004
TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO
TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO
ISAAC PILA
ISAAC PILATOWSKY TOWSKY FIGUEROAFIGUEROA
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor
Departamento de
Departamento de Sistemas EnergSistemas Energéticoséticos
Centro de Investigación en Energía Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México Universidad Nacional Autónoma de México Cerrada Xochicalco, s/n Colonia Centro,
Cerrada Xochicalco, s/n Colonia Centro, 62580 T62580 Temixco, Morelos, Méxicoemixco, Morelos, México T
Tel: +52-55-56229733, /562el: +52-55-56229733, /56229736 29736 fax: / 56229791fax: / 56229791 [email protected]
IMP
IMPACTOS DE
ACTOS DE LA REFRIGERACIÓN
LA REFRIGERACIÓN
Sector social
Sector social
Sector alimentario
Sector alimentario
Sector industrial
Sector industrial
Sector servicios
Sector servicios
Sector salud y biológico
Sector salud y biológico
Calidad de vida interior
Calidad de vida interior
Entretenimiento
Entretenimiento
Ambiente
Ambiente
IMP
IMPACTOS DE
ACTOS DE LA REFRIGERACIÓN
LA REFRIGERACIÓN
Sector social
Sector social
Sector alimentario
Sector alimentario
Sector industrial
Sector industrial
Sector servicios
Sector servicios
Sector salud y biológico
Sector salud y biológico
Calidad de vida interior
Calidad de vida interior
Entretenimiento
Entretenimiento
Ambiente
Ambiente
ENFRIAMIENTO
ENFRIAMIENTO
El enfriamiento es un proceso de eliminación de calor de
El enfriamiento es un proceso de eliminación de calor de
un cuerpo o un espacio, el cual puede ocurrir por medio
un cuerpo o un espacio, el cual puede ocurrir por medio
de un abatimiento de la temperatura sin que el cuerpo
de un abatimiento de la temperatura sin que el cuerpo
sufra un cambio de
TIPOS DE ENFRIAMIENTO
Enfriamiento natural
Radiativo
Conducitivo
Convectivo
Efectos combinados.
Enfriamiento artificial
Utilización por lo general fluidos cuyas propiedades
termodinámicas los sitúan como grandes absorbedores de
calor, los cuales se conocen como refrigerantes, quienes
tienen como función extraer el calor de un cuerpo de
manera constante.
ENFRIAMIENTO RADIATIVO
CONDICIONES AMBIENTALES:
•
TEMPERATURA ATMOSFÉRICA BAJA
•
MÍNIMO CONTENIDO ATMOSFÉRICO DE VAPOR DE
AGUA Y BIÓXICO DE CARBONO
RADIADOR NOCTURNO ALMACEN DE AGUA FRÍA I N T E R C A M B I A D O R AIRE CALIENTE V E N T I L A D O R
Enfriamiento evaporativo directo.
Por medio de un ventilador se hace
circular el aire caliente y seco a través de una membrana de fibras húmedas en
donde se humidifica y enfría, introduciéndolo en el interior de la habitación.
La membrana se humedece de manera continua por medio de agua que se
hace circular con una pequeña bomba. En esto sistemas se tiene que recuperar
el agua que se pierde por arrastre del aire.
Enfriamiento evaporativo indirecto
. En este caso la temperatura del aire se
acercará a la temperatura de bulbo húmedo, o sea a la del líquido frío, por lo
que la temperatura de bulbo húmedo deberá ser bastante baja, esto suele
ocurrir en climas muy secos. La forma clásica de este proceso es circular el
agua enfriada en una torre de enfriamiento a través de un intercambiador de
calor agua-aire, a partir del cual el aire de la casa se recircula.
B F V E N T I L A D O R DL H
SISTEMA MECÁNICO DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO: H, MALLA
HUMIDIFICADORA, DL, DISTRIBUCIÓN DE LÍQUIDO, B, BOMBA , F,
FLOTADOR
NIVELES RELATIVOS DE ENFRIAMIENTO
a) El enfriamiento propiamente dicho que va de los 24 a los 14 °C, en donde se sitúa el bienestar humano y las temperaturas alcanzadas por diferentes procesos naturales como el enfriamiento evaporativo y el radiativo, el acondicionamiento del aire y la conservación de algunos productos perecederos.
b) La refrigeración en donde comienzan a suceder los cambios de estado, principalmente del agua y en donde el abatimiento de la temperatura va desde la temperatura de 14 °C hasta cerca los 0 °C, en la mayoría de los casos no ocurre un cambio de fase.
b) La subrefrigeración, la cual opera en un dominio de temperaturas que va desde 0 °C hasta cerca de - 15 °C. En este dominio se lleva a cabo la formación de hielo.
c) La congelación, en un dominio de temperaturas entre -15 y - 35 °C, siendo una técnica utilizada para la conservación prolongada de los productos perecederos.
d) La subgelación, en un dominio de temperaturas los - 30 a -200 °C.
e) La criogénia o generación de muy bajas temperaturas, a valores cercanos al cero absoluto (-273.16 °C), dominio utilizado para el estudio de propiedades de superconductividad y superfluidez, criocirugía, conservación de esperma y conservación en general.
PRODUCCIÓN DE FRÍO
La producción de frío es básicamente un fenómeno endotérmico (absorción
de calor), en donde la fuente de calor es el producto o el espacio a enfriar, lo
que provoca el abatimiento de su temperatura. Existe una gran diversidad de
métodos de producción de frío, los cuales en su mayoría están basados en la
extracción de calor de un cuerpo o un espacio por intermedio de la
absorción del mismo por un fluido ( refrigerante), el cual lo utiliza a su
vez y de manera espontánea, para cambiar de estado de agregación, como
la evaporación, fusión, sublimación, etc. cuyas transiciones se desarrollan a
bajas temperaturas.
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO
• DISOLUCIÓN DE CIERTOS SOLUTOS EN UN SOLVENTE. • FUSIÓN
• VAPORIZACIÓN
• SUBLIMACIÓN
• EXPANSIÓN DE UN GAS PREVIAMENTE COMPRIMIDO.
• EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER • DESMAGNETIZACIÓN ADIABÁTICA
SOLUCIÓN 3 1 HIELO SAL HIELO SAL Y Y LÍQUIDO 2 LÍQUIDO PUNTO CRIOHIDRÁTICO
HIELO Y SALMUERA SAL Y SALMUERA
SÓLIDA SÓLIDA T EM P E R A T U R A CONCENTRACIÓN, %
DISOLUCIÓN DE SOLUTOS EN DISOLVENTES: EFECTO ENDOTÉRMICO
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES DE
SOLUCIONES
Componentes Partes en peso Caída de temperatura de°C a°C Agua 16 + 10 - 12 Solución amoniacal 5 Salitre 5 Agua 1 + 10 - 15 Nitrato de amonio 1 Agua 16 + 10 - 15 Sulfato de sodio 8 Salitre 5 Solución amoniacal 5 Agua 1 + 10 - 22 Carbonato de sodio 1 Nitrato de amonio 1 AGUA Y SALES
Componentes Partes en peso Caída de temperatura de°C a°C Acido clorhídrico 9 + 10 - 18 Sulfato de sodio 8 Ácido nítrico 2 Nitrato de sodio 3 + 10 - 20 Ácido sulfúrico 4 + 10 - 20 Sulfato de sodio 5 Ácido nítrico 4 + 10 - 23 Sulfato de sodio 6 Solución amoniacal 4 Salitre 2 Ácido nítrico 4 + 10 - 25 Fosfato de sodio 9 Ácido nítrico 4 + 10 - 40 Nitrato de amonio 5 Sulfato de sodio 6 ACIDOS Y SALES
Nieve 2 0 - 20 Sal marina 1 Nieve 5 0 - 25 Sal marina 2 Solución amoniacal 1 Nieve 24 0 - 28 Sal marina 10 Solución amoniacal 5 Salitre 5 Nieve 3 0 - 30 Ácido sulfúrico 2 Nieve 12 0 - 32 Sal marina 5 Nitrato de amonio 5
Nieve 8 0 - 32 Ácido clorhídrico 5 Nieve 7 0 - 35 Ácido nítrico 4 Nieve 4 0 - 40 Cloruro de calcio 5 Nieve 2 0 - 45
Cloruro de calcio cristalizado 3
Nieve 3 0 - 46
Potasa 4
Alcohol etílico abs. - - - 72 Eter etílico - - - 77 Cloruro de etilo - - - 60 Acetato de amilo - - - 78 Cloroformo - - - 77 Cloruro de metilo - - - 82 Tri cloruro de fósforo - - - 76 Ácido sulfuroso - - - 82 Al vacío: Eter etílico Cloruro de metilo -- 103 - 106
Es necesario que esta transición se desarrolle a una temperatura
suficientemente baja, en donde interviene el calor latente de fusión. En la
antigüedad la producción de frío, se basaba en la utilización del hielo, el cual
se recolectaba de manera natural en invierno y se conserva para su
utilización posterior. El hielo juega un papel preponderante sobre todo en los
países en vías de desarrollo para la conservación de pescados y mariscos, de
aves, etc. Para la conservación de frío se substituye frecuentemente al hielo
- cuya temperatura de fusión no es muy baja (0°C) - por una mezcla eutéctica
de numerosas sales y de agua, en una concentración bien definida del soluto
en el solvente, en donde intervienen los calores latentes de fusión- la
temperatura de una mezcla eutéctica que se funde o se congela, permanece
constante - en donde las temperaturas pueden ser inferiores a 0 °C.
En este método se utiliza el calor latente de evaporación, que por lo general es
más grande que el de fusión. Este procedimiento es el mas utilizado a nivel
industrial, comercial y doméstico. El fluido que se vaporiza para la producción
de frío se le conoce como frigorígeno o refrigerante. En este caso se puede
obtener un sistema de enfriamiento abierto, en donde el vapor resultante de la
vaporización no se recupera, sobre todo en los casos en donde el refrigerante no
es caro y no presenta problemas de impacto ambiental, como por ejemplo el uso
del nitrógeno líquido y refrescar el aire caliente y seco por medio de la
vaporización directa del agua en el aire.
En el sistema de enfriamiento cerrado, el vapor del refrigerante, generalmente
costoso y algunas veces tóxico, se recircula con el objeto de volverlo a licuar
para vaporizarlo de nuevo. Este tipo de sistema esta formado por un recipiente
aislado térmicamente, el cual limita el espacio frío, y en cuyo interior se coloca
un intercambiador de calor, en donde se introduce el refrigerante líquido el cual
se vaporiza a una temperatura T0 inferior a la temperatura del interior Tr a la
cual se quiere mantener el espacio. A este intercambiador se le conoce como
evaporador.
La sublimación es el cambio del estado sólido al estado vapor,
este calor latente es más grande que el de vaporización, debido a
que contiene además del calor latente de vaporización el de
fusión. Normalmente se utiliza en un sistema abierto bajo
presión atmosférica, siendo el refrigerante mas utilizado el
anhídrido carbónico (CO2), el cual en estado sólido tiene una
temperatura de transición de - 78.5 °C ( hielo seco).
Esta expansión se puede realizar en:
a).- En un motor de gas comprimido, en donde se extrae la energía mecánica del gas que se expande. Esta extracción de energía provoca un enfriamiento intenso del gas expandido.
b).- En una válvula, en donde el gas que experimenta esta expansión (expansión Joule-Thomson) no produce ningún trabajo al exterior. Este enfriamiento es limitado, ya que según el estado termodinámico del gas antes de la expansión, el gas se puede enfriar, recalentarse o permanecer a una temperatura constante después de esta expansión.
El primer procedimiento se usa muy frecuentemente para la producción de frío a muy bajas temperaturas (criogenia) inferiores a los 120 K, como en el caso de la licuefacción del aire, del hidrógeno, del helio, etc. Como ejemplo de este método, se tiene en tubo Ranque, en donde se
expande el aire comprimido en un tubo. La inyección del gas que se efectúa tangencialmente a la superficie interna del tubo provoca la formación de un torbellino rápido en donde la parte central se enfría y la periférica se calienta.
Otro método utilizado es la máquina frigorífica a aire, la cual utiliza un compresor y una turbina para comprimir y expandir el gas, provocando el enfriamiento en el aire. Estos dos casos de
expansiones, se trataran con mayor amplitud en los sistemas ditermos
El enfriamiento producido por
El enfriamiento producido por medio del
medio del efecto termoeléctrico se debe
efecto termoeléctrico se debe al paso
al paso
de
de una
una corriente
corriente eléctrica
eléctrica en
en la
la junta
junta de
de dos
dos metales
metales diferentes.
diferentes. El
El efecto
efecto
termoeléctric
termoeléctrico
o conocido
conocido con
con el
el nombre
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de Peltier
Peltier, , esta
esta relacionado
relacionado con
con las
las
interacciones entre el flujo de calor y
interacciones entre el flujo de calor y el flujo eléctrico en sólidos conductores y
el flujo eléctrico en sólidos conductores y
semiconducto
semiconductores.
res. Es
Es decir
decir que
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hay un
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flujo de
de calor
calor proporcional
proporcional a
a la
la
corriente
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eléctrica aplicada
aplicada y
y depende
depende de
de las
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características
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del material.
material. La
La
refrigeració
refrigeración
n termoeléctric
termoeléctrica
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transferencia
a de
de calor
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que utiliza
utiliza los
los
cambios de niveles de ener
cambios de niveles de energía de las cargas eléctricas par
gía de las cargas eléctricas para transportar energía
a transportar energía
térmica. La
térmica. La dirección de
dirección de la corriente
la corriente determina el
determina el fenómeno que
fenómeno que ocurre en
ocurre en la
la
junta bimetálica; calentamie
junta bimetálica; calentamiento o enfriamiento. Este efecto de enfriamiento se
nto o enfriamiento. Este efecto de enfriamiento se
tratará con
tratará con más detalle
más detalle en el tema
en el tema de sistemas
de sistemas ditermos.
ditermos.
EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER
EFECTO TERMOELÉCTRICO (EFECTO PELTIER
El
El fenómeno
fenómeno magnetotérmico
magnetotérmico esta
esta basado
basado en
en la
la transición
transición ferromagnética
ferromagnética
-- paramagnética.
paramagnética. La d
La desmagnetización
esmagnetización de una
de una sustancia
sustancia paramagnética
paramagnética la cual
la cual se aísla
se aísla
térmicamente,
térmicamente, provocando
provocando una
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mencionó substancias
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al colocarse en
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un campo magnético no
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el
sentido
sentido de
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crecientes. En
En un
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se describirá
describirá con
con más
más
detalle en los sistemas ditermos
detalle en los sistemas ditermos
DESMAGNATIZACIÓN ADIABÁTICA
DESMAGNATIZACIÓN ADIABÁTICA
En
En general,
general, la
la termoacústic
termoacústica,
a, estudia
estudia la
la interacción
interacción entre
entre la
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fenómenos térmicos. El efecto de poder gen
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partir de
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sonora, comenzó
comenzó a
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ser utilizado
utilizado en
en la
la construcción
construcción de
de
refrigeradores
refrigeradores en
en la
la década
década de
de los
los años
años ochenta.
ochenta. Estas
Estas máquinas
máquinas son
son muy
muy
simples, no
simples, no tienen parte
tienen parte móviles y son
móviles y son pequeños.
pequeños.
El
El refrigerador
refrigerador termoacústic
termoacústico
o consiste
consiste en
en un
un resonador
resonador de
de un
un cuarto
cuarto de
de
longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de
longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de
generar una onda acústica estacionaria dentro de este. La forma en que opera
generar una onda acústica estacionaria dentro de este. La forma en que opera
este tipo de refrigerador se describirá con más detalle en la sección de
este tipo de refrigerador se describirá con más detalle en la sección de sistemas
sistemas
de refrigeración
de refrigeración ditermos.
ditermos.
EFECTO TERMOACÚSTICO
EFECTO TERMOACÚSTICO
En la refrigeración industrial, comercial y doméstica la mayor parte de las
máquinas frigoríficas operan en un ciclo cerrado, bajo el principio de
producción de frío basado en la evaporación del refrigerante líquido.
Estos métodos se diferencian por la forma en que los vapores que se
producen en el evaporador son extraídos. Dentro de estos sistemas tenemos
los ciclos de compresión, de eyecto-compresión y de sorción.
Para el funcionamiento de estos sistemas basados en la evaporación de un
fluido, intervienen las substancias llamadas refrigerantes, en donde en la
mayoría de los casos, sufren una transformación de cambio de fase.
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO BASADOS EN
LA EVAPORACIÓN DE UN REFRIGERANTE
REFRIGERANTES
El refrigerante es una sustancia que es capaz de producir un
efecto de enfriamiento sobre el medio que lo rodea, sea un
espacio o un cuerpo, absorbiendo calor y que de manera
general fluye y evoluciona en un ciclo al interior de un
circuito de una máquina frigorífica. En el caso de
producción de frío por medio de vaporización, estas
substancias deben tener una temperatura de ebullición, a
presión normal, inferior a la temperatura ambiente.
SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE
a).- Comportamiento indiferente frente a los materiales utilizados.
El refrigerante no debe combinarse o reaccionar con los materiales utilizados para la construcción de la máquina frigorífica.
B).- Estabilidad química.
El refrigerante no debe de sufrir ningún tipo de transformación química, dentro del dominio de temperaturas y presiones de operación.
C).- Ausencia de toxicidad.
Es importante que el refrigerante no tenga efectos nocivos sobre la salud, ni sobre el medio. No todos los refrigerantes satisfacen esta condición.
D).- No debe ser explosivo ni inflamable .
Por motivos de seguridad se exige que el refrigerante este operando fuera de los dominios de peligrosidad, en lo referente a los riesgos de explosión y flamabilidad.
E).- Fácil detección de fugas.
Por aspectos de seguridad, operación y economía, es necesario que la circulación del refrigerante se realice en conductos herméticos y que las fugas en caso de ocurrir deben ser inmediatamente detectadas, prefiriéndose aquellos refrigerantes que tengan un olor penetrante.
F).- Ningún efecto sobre el lubricante.
Si en el circuito del ciclo de refrigeración se utiliza algún tipo de lubricante, el refrigerante no le debe ocasionar ningún cambio químico, ni influir en sus propiedades lubricantes.
G).- La presión de evaporación debe ser superior a la presión atmosférica.
En el caso de la refrigeración por vaporización, la presión de evaporación del refrigerante, debe ser dentro de lo posible, algo superior a la presión atmosférica. De esta manera se evita la introducción de aire al interior del sistema.
H).- Baja presión de condensación.
La generación de altas presiones de condensación, requiere de estructuras que soporten esta presión, aumentando el costo. Se sugiere trabajar el refrigerante a condiciones de operación no muy próximas del punto crítico, con el objeto de realizar mas fácilmente la condensación.
I).- Gran potencia frigorífica específica.
Entre mayor sea su capacidad o potencia de enfriamiento, se requerirá una menor cantidad de refrigerante en circulación para una potencia de enfriamiento determinada.
J).- Costo y disponibilidad.
PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTES
.Propiedades térmicas.
Las propiedades térmicas en general, permiten conocer el comportamiento de las substancias frente a los cambios de estado o bien el
análisis de los diferentes factores externos que intervienen para que estos cambios se produzcan. Presión de vapor.
Para compuestos puros, el equilibrio entre las fases del refrigerante líquido y el refrigerante vapor, permite la determinación de la temperaturas de evaporación y de condensación, así como de las presiones en función de estas temperaturas.
Volumen específico y densidad.
El volumen especifico es el valor inverso de la densidad, y ambos varían en función de la temperatura y de la presión, siendo más importante este efecto si el refrigerante se encuentra en fase vapor. Conociendo el volumen específico se puede determinar la cantidad de vapor generado por la vaporización de una cierta masa de refrigerante líquido.
Calor específico.
El calor específico indica la cantidad de calor necesaria para absorberse o disiparse, para obtener la variación de un grado de temperatura de una cierta masa de una sustancia. Este valor es muy importante sobre todo para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor.
Calor latente.
El calor latente indica la cantidad de calor necesaria por unidad de masa de la substancia, para efectuar una transición de un estado de agregación a otro. En el caso de los refrigerantes existen grandes variaciones de estos calores.
METODOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO BASADOS EN
LA EVAPORACIÓN DE UN REFRIGERANTE
.En la refrigeración industrial, comercial y doméstica la mayor parte de las máquinas frigoríficas operan en un ciclo cerrado, bajo el principio de producción de frío basado en la evaporación del refrigerante líquido. Estos métodos se diferencian por la forma en que los vapores que se producen en el evaporador son extraídos. Dentro de estos sistemas tenemos los ciclos de compresión, de eyecto-compresión y de sorción.
SISTEMA DE COMPRESIÓN DE VAPOR.
Los vapores son aspirados y comprimidos por medio de un dispositivo mecánico llamado compresor.
SISTEMA A EYECTO-COMPRESIÓN.
En este caso los vapores son aspirados por medio de un eyector, en donde el refrigerante hace la función de vapor motriz y una depresión en el eyector permite su aspiración a baja presión.
SISTEMA A SORCIÓN.
Los vapores son retenidos por un material líquido o sólido, lo que provoca su aspiración a la salida del evaporador.
Existen dos formas por las cuales estos materiales pueden fijar a los vapores, uno en donde el vapor se fija al material por medio de uniones de naturaleza física, resultando en un fenómeno superficial, al que se conoce con el nombre de adsorción, en donde por lo general ocurre entre un sólido y un vapor, aunque este fenómeno se puede presentar también aunque con menos frecuencia entre un líquido y un vapor. En la adsorción el material que adsorbe se le conoce como adsorbente y al material adsorbido como adsorbato. La otra forma es que el vapor se solubiliza al interior del material y en donde posteriormente ocurre una reacción química. Este fenómeno se conoce con el nombre de absorción y ocurre tanto en materiales líquidos como en sólidos. En la absorción, el material que absorbe se le conoce como absorbente y el material absorbido como absorbato.
En este tipo de sistema el refrigerante en forma vapor es adsorbido o absorbido por un líquido o sólido, a la salida del evaporador.
SISTEMAS DITERMOS (DOS FUENTES DE TEMPERATURA) PARA
LA PRODUCCIÓN DE FRÍO
.Introduccion
Estos sistemas funcionan entre una fuente fría a TE , en donde absorben el
calor y una fuente caliente a TC en donde disipan el calor al medio ambiente.
En este caso las temperaturas TE y TC , corresponden en el caso de un
régimen interior a las condiciones de transformación del refrigerante
(evaporación y condensación respectivamente).
Si se refiere a un régimen exterior, se consideran las temperaturas de los
fluidos exteriores por intermedio de los intercambiadores de calor, tanto del
fluido a enfriar, a una temperatura TR, como del fluido de enfriamiento
(agua o aire ambientes) a una temperatura Tf , el cual se utiliza para disipar
los calores de condensación y los correspondientes a los de disolución o
reacción química.
Los sistemas frigoríficos ditermos incluyen los ciclos de compresión mecánica
de vapores y los basados en el principio de Peltier. Para asegurar el
funcionamiento de estos ciclos es necesario el suministro continuo de energía
mecánica o eléctrica.
MÁQUINA FRIGORÍFICA A COMPRESIÓN
.
La figura 1.1, representa una máquina frigorífica a una etapa de compresión.
Esta está formada por un a).- evaporador E en donde el refrigerante se evapora
bajo la presión de evaporación PE . Los vapores formados por lo general se
sobrecalientan un poco a la salida de este intercambiador. b).- un compresor
mecánico C, que aspira bajo la presión PE los vapores sobrecalentados y los
recomprime a la presión PC correspondiente a la temperatura de saturación del
sumidero de calor, normalmente referida a la temperatura de condensación.
c).-Un condensador C en donde el vapor sobrecalentado se licúa a TC y el líquido se
puede subenfriar. El enfriamiento del condensador puede efectuarse con fluidos
ambientales como el agua y el aire. d).- Una válvula de expansión V, la cual
recibe el refrigerante líquido y lo expande de la PC a la presión PE , siendo una
expansión isoentálpica, en donde disminuye la calidad del vapor. El líquido pasa
nuevamente al evaporador y de esta forma se inicia un nuevo ciclo de
refrigeración.
Si se desea disminuir aún más la temperatura entre
–20 C y
–50 °C se pueden
aplicar ciclos a dos etapas de compresión, y si se requieren aún temperaturas más
bajas, entre
–60 y
–160 °C es posible utilizar estos ciclos en forma de cascada.
QE QC Compresor Motor eléctrico Válvula de expansión condensador evaporador Qc
T TE TC S Línea de saturación Compresión Elemento primario de movimiento Compresor QE QC Válvula de expansión Expansión Condensación Evaporación Condensador Evaporador
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPORES Y SU REPRESENTACIÓN EN UN DIAGRAMA TEMPERATURA-ENTROPIA
OTROS CICLOS DITERMOS EN DONDE SE REQUIERE EL SUMINISTRO DE
ENERGÍA MECÁNICA O ELÉCTRICA
.CICLO RANKINE
Un ciclo alternativo para la producción de frío usando energía térmica es el ciclo de la máquina térmica Rankine, la cual recibe calor de una fuente térmica, la cual convierte esta energía a trabajo mecánico el cuál es utilizado para operar un sistema convencional de refrigeración por compresión mecánica de vapor. En el ciclo básico. El calor es suministrado al generador de vapor por medio de cualquier fuente térmica o un sistema de almacenamiento térmico. En el generador se lleva a cabo la vaporización del fluido, por lo general agua; el vapor se separa, si es necesario, del líquido y pasa a una turbina en donde es extraído el trabajo mecánico. Dependiendo del fluido de trabajo utilizado, el fluido puede entonces pasar a través del generador donde se disipa algo de energía antes de fluir al condensador antes de su licuefacción. El condensado se bombea hacia un regenerador antes de regresar al generador.
GENERADOR TURBINA CONDENSADOR COMPRESOR REGENERADOR CONDENSADOR EVAPORADOR
OTROS CICLOS DITERMOS EN DONDE SE
OTROS CICLOS DITERMOS EN DONDE SE REQUIERE EL
REQUIERE EL
SUMINISTRO DE ENERGÍA MECÁNICA O ELÉCTRICA.
SUMINISTRO DE ENERGÍA MECÁNICA O ELÉCTRICA.
Máquina frigorífica a aire
Máquina frigorífica a aire
La
La máquina máquina frigorífica frigorífica a a aire consiste aire consiste en: en: un un compresor C, compresor C, el el cual cual aspira, aspira, bajo bajo la la presión P0 presión P0 elel aire que se encuentra en el espacio E y que se encuentra a una temperatura TE. El aire se aire que se encuentra en el espacio E y que se encuentra a una temperatura TE. El aire se comprime de
comprime de PE PE hasta PC hasta PC y su y su temperatura aumenta de temperatura aumenta de TE hasta TTE hasta TC. b).- un C. b).- un enfriador EN, enfriador EN, enen donde el air
donde el aire se enfríe se enfría, bajo la pra, bajo la presión PC esión PC de TC de TC hasta TEN . hasta TEN . Este interEste intercambiador constituye lacambiador constituye la fuente caliente
fuente caliente de la de la máquina máquina y se y se enfría con enfría con aire o con aire o con agua. c).- agua. c).- una turbina una turbina de expansión de expansión T enT en donde la pr
donde la presión del airesión del aire disminuye de e disminuye de PC PC hasta PE . De hasta PE . De manera simultánea su temperaturamanera simultánea su temperatura desciende de TE
desciende de TE hasta TT hasta TT y a esta temperatura el airy a esta temperatura el aire se envía frío otra vee se envía frío otra vez al espacio a enfriarz al espacio a enfriar.. La
La turbina turbina está está ligada ligada mecánicamente mecánicamente al al compresorcompresor, , pero pero como como el el consumo consumo energético energético de de esteeste último es superior
último es superior a la producción de la primera, se ra la producción de la primera, se requiere un motor de apoyo, ya que como esequiere un motor de apoyo, ya que como es sabido el ciclo de refrigeración debe consumir energía para poder transferir calor de una fuente sabido el ciclo de refrigeración debe consumir energía para poder transferir calor de una fuente fría
fría TE TE a a una una fuente fuente caliente caliente TC TC . . Este Este sistema sistema parece ser parece ser muy muy interesante, ya interesante, ya que que sólo sólo cuentacuenta con un intercambiador y el refrigerante usado es el aire y su coeficiente de eficiencia teórico es con un intercambiador y el refrigerante usado es el aire y su coeficiente de eficiencia teórico es excelente:
excelente:
Sin embargo, al tratarse de máquinas reales y al considerar las caídas de presión, imperfecciones Sin embargo, al tratarse de máquinas reales y al considerar las caídas de presión, imperfecciones del compresor y de la máquina de expansión, que no funcionan evidentemente isoentrópicamente, del compresor y de la máquina de expansión, que no funcionan evidentemente isoentrópicamente, el ciclo real presenta un eficiencia mucho menor que la teórica, ya que el compresor consume el ciclo real presenta un eficiencia mucho menor que la teórica, ya que el compresor consume más energía y la turbina de expansión suministra una menor potencia, y el motor tendrá que dar más energía y la turbina de expansión suministra una menor potencia, y el motor tendrá que dar una potencia mucho más grande. Esto da como resultado que la eficiencia de un ciclo de una potencia mucho más grande. Esto da como resultado que la eficiencia de un ciclo de enfriamiento de aire, excepto por el caso de la obtención de muy bajas temperaturas, tiene enfriamiento de aire, excepto por el caso de la obtención de muy bajas temperaturas, tiene eficiencias más bajas que
M
M
INTERCAMBIADOE INTERCAMBIADOE DE CALOR DE CALOR ESPESPACIO A ENFRIAACIO A ENFRIARR
11
22
33
44
T
T
C
C
TURBINA
COMPRESOR
TURBINA
COMPRESOR
PE
PE
PC
PC
El funcionamiento esta basado sobre el principio de la expansión del aire atmosférico con la producción de trabajo exterior. El El funcionamiento esta basado sobre el principio de la expansión del aire atmosférico con la producción de trabajo exterior. El funcionamiento es
funcionamiento es el el siguiente: siguiente: un un cilindro cilindro de de comprecompresión sión del del aire aire A A y y un un cilindro de cilindro de expansión expansión de de aire aire B B se se montan montan sobre elsobre el mismo eje
mismo eje del pistón, que esta acopladel pistón, que esta acoplado al árbol manivela de la máqudo al árbol manivela de la máquina de vapor C. El ina de vapor C. El pistón en su recorrido apistón en su recorrido aspira el aire despira el aire de la tubería I y en su recorrido de regreso lo comprime; el aire calentado de esta manera se enfría en el recipiente D por medio de la tubería I y en su recorrido de regreso lo comprime; el aire calentado de esta manera se enfría en el recipiente D por medio de la pulverización de agua; el aire húmedo se seca en E , por medio de un tamiz; un secado más fuerte se produce durante la caída la pulverización de agua; el aire húmedo se seca en E , por medio de un tamiz; un secado más fuerte se produce durante la caída de presión en los tubos G, dispuestos en el espacio a enfriar F, y en los cuales el agua después del abatimiento de temperatura se de presión en los tubos G, dispuestos en el espacio a enfriar F, y en los cuales el agua después del abatimiento de temperatura se separa del aire y se escurre. El aire que se encuentra todavía bajo presión llega por la tubería 2 en el cilindro de expansión B separa del aire y se escurre. El aire que se encuentra todavía bajo presión llega por la tubería 2 en el cilindro de expansión B donde, con la producción de trabajo, empuja el pistón y alcanza la más baja temperatura debido a la expansión. El aire enfriado donde, con la producción de trabajo, empuja el pistón y alcanza la más baja temperatura debido a la expansión. El aire enfriado se envía por el conducto 3 directamente al espacio a enfriar, en donde es aspirado de nuevo por el compresor A para iniciar un se envía por el conducto 3 directamente al espacio a enfriar, en donde es aspirado de nuevo por el compresor A para iniciar un
CICLO DE REFRIGERACIÓN DE AIRE CON UN COMPRESOR CICLO DE REFRIGERACIÓN DE AIRE CON UN COMPRESOR
GENERADOR TURBINA CONDENSADOR COMPRESOR REGENERADOR CONDENSADOR EVAPORADOR
CICLO RANKINE
TUBO RANQUE
El tubo Ranque tiene la forma de una T: la barra horizontal esta constituida de la parte en donde se desarrolla el fenómeno de separación, la vertical sirve como llegada del aire comprimido, la cual se hace tangencialmente interior del tubo torbellino propiamente dicho. Por este efecto, el aire toma un movimiento en espiral.
En la práctica, el aire se inyecta sobre la periferia interior del tubo a la temperatura ambiente, entre 20 y 22 °C, proyectado sobre la pared cilíndrica, se pone a girar en avance según el comportamiento de un torbellino, quedando pegado a la pared por medio de la fuerza centrífuga. Como la sección interior de este tubo esta alargada hacia la primera salida – el tubo esta
Aletas de enfriamiento calor frío Inyección intermitente
El separador Bertin, esta basado en el siguiente principio: el gas comprimido se inyecta de forma independiente en un tubo cerrado en una extremidad. Se establece un régimen oscilatorio, el cual crea una diferencia en temperaturas entre el aire desechado frío en la vecindad del inyector y el aire caliente que queda en el fondo del tubo. En este caso, la separación es posible debido a la no permanencia dinámica y térmica de la corriente.
SISTEMAS FRIGORÍFICOS TERMOELÉCTRICOS.
La teoría de un refrigerador termoeléctrico se fundamenta en una serie de
efectos físicos propios de los sólidos conductores y semiconductores. Dichos
efectos termoeléctricos relacionan las interacciones entre los flujos de calor y los
flujos eléctricos en una junta de dos materiales (conductores ó semiconductores)
diferentes.
Efectos termoeléctricos.
La junta termoeléctrica de la figura siguiente. se encuentra formada por dos
metales diferentes (conductores ó semiconductores); dicho termopar tiene dos
juntas entre los metales, las juntas J1 y J2 las cuales se encuentran a sus
respectivas temperaturas; T1 y T2.
Las interacciones de los diversos flujos de calor y corriente eléctrica que
pasan por la junta se encuentran relacionados por los tres efectos
EFECTOS TERMOELÉCTRICOS.
La junta termoeléctrica de la figura, se encuentra formada por dos metales diferentes (conductores ó semiconductores); dicho termopar tiene dos juntas entre los metales, las juntas J1 y J2 las cuales se encuentran a sus respectivas temperaturas; T 1 y T 2 .
Las interacciones de los diversos flujos de calor y corriente eléctrica que pasan por la junta se encuentran relacionados por los tres efectos termoeléctricos: Metal 1 Metal 2 f e m Junta 2 T2 Junta 1 T1
-
Efecto Seebeck:
-
Al producir una diferencia de temperaturas (
T) entre las juntas 1 y 2 (Figura
anterior) se genera un voltaje ó fuerza electromotriz (fem) que circula la junta
termoeléctrica. La diferencia de temperatura requerida (
T) para producir un voltaje
dado se encuentra determinado por las características de los materiales que
conforman la junta y se le conoce como coeficiente de Seebeck ó potencia
termoeléctrica (
).
T
V
Me tal Me tal
2 , 1 V : Voltaje, [V] T : Gradiente de temperatura, [°C].Efecto Peltier:
-Al generar y circular un voltaje por la junta termoeléctrica se genera un T entre la
temperatura de las juntas 1 y 2 (y en consecuencia un flujo de calor de un extremo a otro de la junta). La magnitud del voltaje requerido (V) para producir un T (ó flujo
de calor) dado se encuentra determinado por las características de los materiales que conforman la junta y se le conoce como coeficiente Peltier ( ).
I
Q
Metal Metal1, 2 donde:Q : Calor emitido ó absorbido, [kJ]. I : Corriente eléctrica, [A].
T2 T1 Calor emitido por el conductor Calor absorbido por el conductor Q Q I T=T2-T1 T2 > T1 X
EL EFECTO THOMPSON:
El coeficiente Thompson ( ) es la relación de la absorción y emisión de calor en un solo
material conductor a una razón proporcional del flujo de corriente y del gradiente de temperatura (ver figura).
La figura representa de manera esquemática el efecto Thompson efectuándose en un metal dado a una cierta T.
Thompson obtuvo la relación del tercer coeficiente termoeléctrico ( ), para uno solo de
los conductores (ver figura bajo la suposición de que al fluir la corriente eléctrica (I) en un conductor, existe un gradiente de temperatura dependiente de la posición (dT/dx, donde x representa la posición a lo largo del conductor referida a la dirección del flujo de la corriente I y calor Q) que conduce a una razón de calentamiento dependiente a su vez también de la posición x (dQ/dx). De donde es igual a:
Thompson obtuvo la relación del tercer coeficiente termoeléctrico (), para uno solo
de los conductores (ver figura) bajo la suposición de que al fluir la corriente eléctrica (I) en un conductor, existe un gradiente de temperatura dependiente de la posición (dT/dx, donde x representa la posición a lo largo del conductor referida a la dirección del flujo de la corriente I y calor Q) que conduce a una razón de calentamiento dependiente a su vez también de la posición x (dQ/dx). De donde
es igual a: ) / ( / dx dT I dx dQ donde:
Q : Calor emitido ó absorbido, [Kj]. I : Corriente eléctrica, [A].
T : Temperatura absoluta, [K].
X : Eje relativo al gradiente de posición x a través del cual se realiza la
El principio de los refrigeradores de este tipo y como se mencionó anteriormente, está basado en lo que se conoce como efecto Peltier (Fig. 1.5). en este tipo de refrigeradores, no se utiliza la unión de dos metales ya que la diferencia de temperatura producida es muy pequeña, en realidad lo que se utiliza es la unión de
materiales semiconductores tipo p y n, los cuales producen mayores diferencias de
temperatura.
Metal
Semiconductor
Existen dos tipos de materiales semiconductores, los semiconductores tipo n y los semiconductores tipo p. El material semiconductor tipo n tiene un exceso de cargas negativas ó electrones. La adición de impurezas que provocan una deficiencia de electrones en el material da como resultado un material semiconductor tipo p en el cual las cargas mayoritarias presentes son cargas positivas (ausencia de electrones). Algunos ejemplos de materiales tipo
p y n son: Bi
2Te
3, Bi
2Te
3+Sb
2Te
2+Sb
2Se
3, PbTe, SiGe y SiSb.
Diagrama esquemático de una junta metal-semiconductor para producir el efecto Peltier p Calentamiento Enfriamiento n Corriente eléctrica +
-CalentamientoEl calentamiento ó enfriamiento de las juntas es el resultado de fenómenos básicos de transporte de calor. El refrigerador termoeléctrico utiliza los cambios de nivel energético de las cargas eléctricas para transportar energía térmica (calor); además, la dirección del flujo de corriente eléctrica determina si una junta dada disipa ó absorbe calor. Independientemente del efecto Peltier asociado al funcionamiento de una bomba de calor termoeléctrica, existen dos fenómenos adicionales que ocurren en el circuito y afectan el desempeño de la bomba:
El calentamiento Joule que ocurre por efectos de resistencia eléctrica de los semiconductores a la corriente eléctrica.
La conducción de calor, fenómeno inevitable debido a la unión física entre los materiales y al gradiente de temperatura presente en los mismos.
Para diseñar un sistema óptimo termoeléctrico, se debe considerar, un material que minimiza el calentamiento Joule, una relación geométrica área / longitud adecuada para la junta y el hecho de que el T de operación del refrigerador y el calor (Q) transferido son inversamente proporcionales,
esto es que T será óptima cuando Q = 0 y viceversa.
Este tipo de sistemas se utiliza generalmente para enfriamiento y aunque su COP es menor que el de un refrigerador convencional, tiene la ventaja de ser pequeños y silenciosos, no emplear líquidos, su regulación y control es muy sencillo (proporcional a la corriente eléctrica), responden rápidamente a cambios de polarización invirtiendo la función de la bomba (bomba termoeléctrica de calentamiento-enfriamiento) y por no tener partes móviles son de larga duración. Como inconveniente técnico (bajos COP) y económico (costo de los módulos de juntas termoeléctricas), una aplicación de bomba de calor termoeléctrica solo es adecuada a bajas potencias térmicas (aprox. 30 Watts ó menos),
Este sistema de refrigeración es muy costoso y su uso se a limitado para aplicaciones de muy bajas potencias de refrigeración.
Las máquinas termoacústicas no difieren de las máquinas de potencia en el
sentido de que ellas intercambian calor y trabajo. La diferencia reside en que el
tipo de trabajo que se obtiene, se llama trabajo acústico, que consiste en el
transporte de energía de una onda sonora.
El efecto termoacústico se da cuando una placa sólida esta sometida a los efectos
de una onda acústica plana estacionaria en dirección paralela a la placa. Las
principales consecuencias que se pueden observar son las siguientes:
1. Aparición de un flujo neto de calor cerca de la superficie de la lámina a lo
largo de la dirección de la vibración.
2. Generación o absorción de potencia acústica (trabajo) cerca de la superficie
de la lámina.
PARLANTE R E J I L L A S CALIENTE FRIO
El refrigerador termoacústico consiste en un resonador de un cuarto de longitud de onda, que tiene en su extremo abierto y un parlante encargado de generar una onda acústica estacionaria dentro de este.
Dentro del tubo se localiza una rejilla de láminas alineadas de tal forma que queden en la misma dirección de la vibración, la cual constituye el medio sólido que va a interactuar con el fluido.
La presencia de la onda dentro del tubo hace que durante la operación de la máquina el fluido y las láminas interactúen, originando un flujo neto de calor de un lado a otro de la rejilla (en la figura del lado izquierdo al derecho), llevando un calor neto desde una zona a baja temperatura hasta una a más alta temperatura. De esta forma opera como un refrigerador convencional en el cual el trabajo es suministrado por el parlante.
REJILLA
QENTRA QSALE
El tubo de Hofler , el cual consiste en un tubo metálico con uno de sus extremos cerrados y con el otro abierto a la atmósfera. El tubo tiene una rejilla de láminas alineadas en la dirección de la vibración, que constituyen el medio sólido que va a interactuar con el fluido.
Si el tubo se somete a una temperatura entre los dos extremos, de manera que el extremo cerrado este a mayor temperatura que el otro, se generará una onda sonora. En este caso, la máquina esta absorbiendo calor de una fuente a alta temperatura y está expulsando parte de este calor a una fuente de temperatura más baja, generando trabajo acústico (sonido).
TUBO DE HOFLER
SISTEMAS TRITERMOS (TRES FUENTES DE TEMPERATURA)
DE PRODUCCIÓN DE FRÍO.
Introducción
Estos sistemas a diferencia de los sistemas tritermos funcionan con
energía térmica [1] . Para su funcionamiento requieren por lo menos de
tres fuentes da calor (de donde su nombre tritermos):
1.Una fuente de baja temperatura, T
Een donde el calor se extrae del
medio a enfriar;
2.Una fuente de mediana temperatura, T
Cen donde el calor se cede al
medio exterior;
3.Una fuente a alta temperatura, T
G, donde el calor se suministra para
asegurar su funcionamiento.
[
1]
Para algunos sistemas es necesario cierta cantidad de energía
mecánica la cual sin embargo es pequeña comparada con la energía
térmica requerida.
Q1 w Q’2 Q’’2
T
3 T2 T0S
1S
2S
3ACOPLAMIENTO ENTRE UNA MÁQUINA TÉRMICA Y UN REFRIGERADOR
CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS TRITERMOS DE PRODUCCIÓN DE
FRÍO.
A. Sistemas en donde interviene un ciclo de producción de energía mecánica con
motor térmico y un ciclo frigorífico a compresión.
•
un motor térmico a combustión interna ( a gas o con combustibles líquidos).
•un motor a gas caliente ( combustión externa, con calentamiento clásico o solar.
•un motor a vapor ( calentamiento clásico o solar).
B. Sistema en donde intervienen un motor térmico y un ciclo de refrigeración a
aire.
C, Sistemas en donde intervienen un módulo termoeléctrico Seebeck y un módulo
efecto Peltier.
D. Sistemas a sorción:
Sistemas a absorción (liquido-vapor)
Ciclo con funcionamiento intermitente
Ciclo con funcionamiento continuo*
Ciclo de absorción-difusión
Ciclo a resorción*
E. Sistemas a adsorción (intermitentes)
F. Sistemas frigoríficos a eyección*
* Sistemas que requieren un pequeño suministro de energía mecánica
Los sistemas C, D y E, pueden operarse con energía solar.
COEFICIENTES DE EFICIENCIA DE LOS SISTEMAS FRIGORÍFICOS TRITERMOS.
Desde el punto de vista termodinámico es conveniente considerar un sistema frigorífico tritermo como una máquina constituida por un motor térmico, (MT), funcionando entre dos temperaturas TG y TC y una máquina frigorífica, operando entre las temperaturas TE y TC, de acuerdo a la figura 1.4 .
Por definición el coeficiente de operación esta representado de manera general como: inistrada energíasum igerante efectorefr Q Q COP G
0Si se incluye el trabajo W suministrado por el motor térmico (MT), el cual es absorbido por la máquina frigorífica (MF), se tiene:
G
Q
W
W
Q
COP
0.
El primer término es el coeficiente de eficiencia del ciclo frigorífico ditermo recibiendo energía mecánica y el segundo el rendimiento del motor térmico productor de trabajo. Por lo tanto la eficiencia de un sistema frigorífico tritermo esta representado por la relación siguiente:
M T M F
SFT
COP
COP
COP
si las dos máquinas acopladas se consideran perfectas (ideales):
ideal MT ideal MF iseal SFT
COP
COP
COP
, , ,en temperaturas termodinámicas:
G C G E C E ideal SFTT
T
T
T
T
T
COP
,Principio de funcionamiento. En la parte superior puede verse una sección del compresor de inyección de vapor, llamado también eyector. Por la tobera 2 entra el vapor de impulsión y se expande.
Debido a la inyección a alta velocidad, se produce una aspiración qu e se engendra en el evaporador la baja presión necesaria para aspirar el vapor. El calor necesario para la vaporización se toma del agua, la cual se pulveriza con el objeto de obtener una superficie de evaporación lo mayor posible. El agua fría así obtenida, después de ser utilizada para su fin, es devuelta al evaporador con unos grados más de temperatura. El agua aspirada por el inyector es sustituida por el condensado del condensador, a través de la válvula de regulación VR o por agua fresca. La mezcla de vapor generada en la tobera mezcladora 4, fluye a gran velocidad por el difusor 5 y transforma su energía cinética en presión. Para lograr una condensación por medio de agua fría, el incremento de presión debe ser
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A EYECCIÓN
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN A EYECTO-COMPRESIÓN
Introducción
Un sistema de refrigeración por eyecto-compresión combina un ciclo de compresión
de vapor y un eyector de vapor. El ciclo por eyecto-compresión se puede considerar
como un ciclo por compresión de vapor que emplea para su operación un eyector en
lugar de un compresor convencional. El refrigerante es succionado y comprimido a
presión de saturación en el eyector a partir del empleo de un fluido motor. El fluido
motor deberá ser un fluido del mayor peso molecular posible, pero en la mayoría de
las instalaciones convencionales por cuestiones prácticas se emplea el mismo fluido
como refrigerante y motor.
Como se puede ver en la figura un refrigerador basado en el principio de
eyecto-compresión está constituida básicamente por dos circuitos térmicos, uno llamado
circuito motor ó caliente y otro llamado circuito frío. El circuito caliente tiene como
función producir el vapor del fluido de trabajo en el generador de vapor mediante el
Condensador QG QE G e n e r a d o r E y e c t o r Válvula de expansión E v a p o r a d o r Circuito frío Circuito caliente bomba QC
Fluido caliente Fluido frío ( PG) ( PE) PC
Zona de mezclado y de generación de ondas de choque
El eyector está constituido por dos toberas una dentro de la otra las cuales tienen una sección convergente, cuello, y una sección divergente. En la sección convergente, el vapor del circuito caliente disminuye su presión y aumenta su velocidad alcanzando un nivel supersónico. Posteriormente en la sección divergente, se produce la expansión del fluido, provocando la succión del fluido frío proveniente del evaporador. El fluido caliente se comprime junto con el fluido frío a través de ondas de choque y salen del eyector. El fluido así formado pasa hacia el condensador donde se licua mediante la extracción de una cantidad de calor QCO, para separarse después en dos líneas, una que va hacia el generador de vapor y la otra que va hacia el evaporador, donde se vaporiza mediante la absorción de una cantidad de calor QEV y pasa hacia el eyector dando inicio nuevamente al ciclo.
Eficiencia del ciclo por eyecto-compresión
.La eficiencia termodinámica para este ciclo está dado por la ecuación, donde τ
representa la relación de flujos = masa que circula por el circuito caliente ó motor / masa que circula por el circuito frío:
GE EV GE EV ENFH
H
Q
Q
COP
1El flujo que circula por el condensador es la suma del flujo del generador de vapor y el evaporador; esto es que el flujo que sale del condensador se divide entre los dos circuitos del sistema. Así es que un parámetro importante tanto de diseño como de operación de los sistemas de eyección de vapor es la relación de flujo entre el condensador y el evaporador.
CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN
Los ciclos de refrigeración por sorción presentan grandes semejanzas con el
ciclo de compresión de vapor, ya que ambos ciclos presentan operaciones
análogas de condensación, expansión y evaporación de un componente puro
conocido como fluido de trabajo. La principal diferencia entre los ciclos consiste
en el proceso de compresión del vapor saturado a condiciones de
sobrecalentamiento; el ciclo de compresión mecánica emplea un compresor en
tanto que los ciclos por sorción aprovechan ciertos fenómenos fisicoquímicos
propios de la interacción de dos fases. Dichos fenómenos incluyen los
fenómenos de superficie entre las fases, la difusión y transferencia de masa de
una fase en otra y las posibles reacciones químicas entre los compuestos que
forman las fases.
Válvula de expansión Equipo de sorción QCO QEV QSO TSO, PSO QDS TDS, PDS
Desorción del gas de la fase sól. ó
líq.
Sorción del gas en la fase sól. ó líq. Contacto entre el gas y la fase sólida ó líquida evaporador condensador
Fluido de trabajo (gas) vapor de baja presión
PDS= PCO= PH PSO= PEV= PL TDS> TSO> TCO Gas absorbido en la fase sólida o líquida Equipo de desorción
Fluido de trabajo, GAS Vapor de alta presión
Un ciclo por sorción consta de los tres procesos comunes al fluido de trabajo, esto es la condensación (condensador), la expansión (válvula de expansión) y la evaporación (evaporador). Pero, el ciclo por sorción substituye al compresor por dos procesos propios de los fenómenos de sorción; un equipo de sorción y un equipo de desorción. El equipo de sorción recibe el fluido de trabajo como vapor saturado a baja presión y lo pone en contacto con otra fase ó compuesto (un líquido ó un sólido); el fluido de trabajo, al entrar en contacto con este líquido ó sólido experimenta un fenómeno de sorción (absorción, adsorción ó quimiosorción) y se une al sólido ó líquido en cuestión, liberando una cantidad dada de calor Qso de sorción a condiciones TSO y PSO en el proceso. El equipo de desorción libera (como vapor sobrecalentado) el fluido de trabajo sorbido en el sólido ó líquido al adicionar una cantidad de calor QDS de desorción a condiciones de TDS y PDS. Si PSO es el nivel de baja presión de la bomba de calor y PDS es el nivel de alta presión (donde por supuesto PDS >PSO) se tiene un sistema sencillo de bomba de calor por sorción.
Los fenómenos de sorción así como las condiciones de presión, temperatura y concentración ó saturación a las cuales se llevan a cabo, se encuentran regidos por el equilibrio termodinámico existente entre las fases.
En su arreglo más sencillo, los refrigeradores por sorción operan de forma intermitente para sistemas sólido-gas; esto es debido a la dificultad mecánica asociada al transporte del sólido de un equipo a otro. En ciclos intermitentes el equipo de sorción y el equipo de desorción son el mismo, e intercambian sus funciones de forma periódica (por ejemplo, un recipiente opera como desorbedor, liberando el fluido de trabajo de una cama fija de sólido. Una vez que todo el fluido de trabajo ha sido desorbido y ha circulado por el condensador, válvula y evaporador regresa al mismo recipiente; sólo que en este caso opera como equipo de sorción y el fluido de trabajo, a partir de un fenómeno de sorción, se une al sólido presente en la cama del recipiente). Para sistemas líquido-gas, el ciclo puede operar de forma continua al integrarse una bomba y una válvula adicionales que conformaran el circuito secundario de solución entre absorbedor y generador de vapor.
Los sistemas por sorción operan térmicamente. Esto es que el trabajo requerido por el ciclo para operar es de tipo calorífico. La bomba no consume trabajo mecánico y el gasto de potencia eléctrica se encuentra restringida a los equipos de medición, control y bombeo.
Los sistemas de por sorción requieren de un consumo de energía calorífica de alto potencial en el desorbedor. En el desorbedor, para poder liberar el fluido de trabajo de la fase a la cual se encuentra unido, se requiere del suministro de calor a un mayor nivel de temperatura que el que se disipa en el condensador. Es por ello que los sistemas por sorción operan a dos niveles de presión y tres de temperatura.
Los sistemas por sorción son: la absorción líquido-gas (ó absorción), la absorción sólido-gas (ó termoquímica) y la adsorción sólido-gas (ó adsorción).
C A R A
-ABSORCIÓN ADSORCIÓN COMPRESIÓN-ABSORCIÓN ABSORCIÓN (LÍQUIDO-GAS) REFRIGERACIÓN POR SORCIÓN REFRIGERACIÓN POR COMBINACIÓN DE CICLOS
HIDRUROS METÁLICOS (METAL-HIDRÓGENO) TERMOQUÍMICOS (SÓLIDO-GAS)
ADSORCIÓN (SÓLIDO-GAS)
C L A
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN.
El ciclo de refrigeración por absorción es un caso particular de los sistemas a
sorción en donde participan por lo general dos fases, sea, entre un liquido y un
vapor o entre un sólido y un vapor.
De todos los ciclos termodinámicos disponibles para la producción de frío los
sistemas tritermos a sorción son los más utilizados en la aplicación de energías de
baja entalpía como la solar o el calor de desecho industrial, en particular los
sistemas a absorción líquido-gas y sólido-gas y los de adsorción sólido-gas, tanto
en funcionamiento continuo como intermitente.
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES
El sistema consistía de una bomba manual, movida por la palanca B, comunicada por el tubo C con una garrafa, que contiene tres cuartas partes de agua, para que en ella se pueda hacer vacío. Cuando el pistón ha funcionado un cierto número de veces, se alcanza un vacío suficiente para que la evaporación del agua en la garrafa inicie; el enfriamiento se desarrolla tan rápidamente, que la garrafa se cubre de rocío. El vapor de agua producido por la evaporación es absorbido por el ácido sulfúrico concentrado, que está contenido en el recipiente D. En pocos minutos (10 minutos aprox.), se observa la congelación del agua, primero formando largas agujas en su superficie, y después se congela toda la masa de agua.
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES
Refrigerador por absorción amoniaco-agua de Ferdinand Carré
En este sistema se tiene un generador B que contiene una solución amoniacal concentrada. Al calentarse, los vapores de amoniaco que se desprenden provocan el levantamiento de la válvula C, atraviesan una columna de rectificación R, para separar los vapores del agua de los del amoniaco y por un tubo T van a un intercambiador de calor, EV que se enfría por medio de una corriente de agua, actuando como un condensador. El generador B se
enfría, por de la circulación de agua o se sumerge en un deposito con agua estática y el amoniaco líquido, que estaba contenido en el intercambiador de calor, se evapora con la consecuente producción de frío. Los vapores formados vuelven a la columna R por medio del tubo T. La presión ejercida por los vapores permite mantener cerrada la válvula C y pasan a través del tubo Ta y burbujean en la solución diluida, absorbiéndose y formando de nuevo la solución concentrada inicial.
En esta máquina el enfriamiento se produce por medio de la vaporización instantánea del amoniaco líquido. El cilindro metálico A de paredes resistentes contiene una solución amoniacal concentrada comunica por un tubo estrecho con otro depósito cilíndrico- cónico condensador B, igualmente resistente y doble pared. En su cavidad está colocado el recipiente C que contiene el agua que se quiere congelar. El aparato funciona en un ciclo cerrado sin fugas, lo que origina que siempre se comprime y se dilata. Este aparato de uso doméstico, representado en la figura 5.4, funciona por medio de calentamiento en el depósito A hasta que el termómetro que contiene alcance un valor cerca de los 120 °C. A ésta temperatura, la mayoría del gas amoniaco se desprende de la solución y se condensa en B, sumergido en un cubo de agua fría, para sustraer el calor suministrado al vapor. En este momento se retira del fuego el cilindro A y se le sumerge en un cubo de agua fría El enfriamiento permite al agua contenida en A disolver el amoniaco, de tal modo que se produce un vacío y el gas amoniaco, licuado en B, se vaporiza rápidamente para volverse a disolver en A. El
enfriamiento producido por esta evaporación, es capaz de congelar el agua en pocos minutos. Una vez terminada la operación, el
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN: ANTECEDENTES
