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PROCESOS DE REFRIGERACIN

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERIA

Escuela Acadmico Profesional De Ingeniera Geolgica

CICLOS TERMODINMICOS Y PROCESOS DE REFRIGERACIN

DOCENTE:

Ing. HUGO MOSQUEIRA ESTRAVER

INTEGRANTES :

MEDINA TASLLA, Dianela

QUIROZ CRDENAS , Gustavo

TAPIA CABRERA, Hernando

TASILLA SOTO, Liliana

Cajamarca, Junio del 2015

INTRODUCCIN

El ciclo Termodinmico y el de Refrigeracin son las principales reas de aplicacin de la Termodinmica.

Se da en dispositivos destinados a la obtencin de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura (Mquinas Trmicas) o de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportacin de trabajo (Refrigeradores y Bombas de Calor).

En la presente exposicin trataremos de ampliar los conocimientos de la sala sobre este tema.

OBJETIVO GENERAL:

Comprender en que consiste los ciclos termodinmicos y procesos de refrigeracin

OBJETIVOS SECUNDARIOS:

Comprender el proceso Termodinmico.

Definir la utilidad del proceso de refrigeracin.

OBJETIVOS

Elementos de un Sistema:

Sistema:Porcin de universo sometida a estudio termodinmico.

Entorno:Porcin del universo que no es el sistema.

Energa interna:Energa total que posee el sistema. En losgases ideales, no hay interacciones entre las partculas que lo componen, por lo tanto la energa interna depende exclusivamente de la temperatura del sistema.

Temperatura:Medidamacroscpicapromedio de la energa cintica que poseen las partculas del sistema.

CONCEPTOS PREVIOS

PRINCIPIOS TERMODINMICOS. DEFINICIONES.

Tipos de Sistemas

INTERCAMBIO DE ENERGA

Trabajo.

En el caso de las mquinas trmicas consideraremos el trabajo de expansin. Este trabajo es la energa intercambiada entre el sistema y su entorno por medio de una variacin en el volumen del sistema.

Un sistema slo puede intercambiar energa con su entorno de dos formas:

CALOR

Flujo de energa entre el sistema y su entorno. Para su transmisin es necesaria una diferencia de temperatura entre ambos.

El calor es un flujo de energa desde un cuerpo a temperatura superior a otro cuerpo que est a una temperatura inferior.

Trabajo positivo:

Trabajo hecho por el sistema, comunica energa al entorno. (W > 0)

Trabajo negativo:

Trabajo hecho sobre el sistema, toma energa del entorno. (W < 0)

Calor positivo:

Calor comunicado al sistema, toma energa del entorno. (Q > 0)

Calor negativo:

Calor comunicado por el sistema, se aporta energa al entorno. (Q < 0)

Simbologa para diferenciar la energa que entra o sale con respecto al sistema.

Simbologa para diferenciar la energa que entra o sale con respecto al sistema.

En este tema haremos referencia a los dos primeros principios, que constituyen la base sobre la que se desarrollar el campo de los motores trmicos.

Primera Ley de Termodinmica.

Segunda Ley de Termodinmica.

EJEMPLO ILUSTRATVO:

Histricamente se pensaba que calor y energa eran dos tipos de magnitudes diferentes, por ello se medan en unidades distintas.

La unidad de calor era la calora. (Una calora es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14,5C a 15,5C.)

En un primer momento se pensaba que el calor era un fluido (denominado calrico) que impregnaba los cuerpos y era responsable del calor que se trasegaba entere ellos cuando se ponan en contacto.

Por medio de un experimento Joule demostr que el calor es una forma de energa, que era posible obtener a partir de energa mecnica.

Joule trat de demostrar que era posible aumentar la temperatura del agua transfirindole energa mecnica. Para lo que construy una mquina parecida a la representada en la figura. Dentro de un recipiente se introduce 1 kg de agua a 14,5C, en el interior se sita un eje solidario a unas aspas, conectadas a una masa, por medio de una cuerda, que tiende a caer por gravedad, al descender sta a una velocidad constante, las aspas giran debido a la energa potencial de la masa. El giro de las aspas se converta en calor, aumentando la temperatura del agua.

Tras este experimento Joule comprob que para conseguir elevar la temperatura del agua 1C, es decir para conseguir una energa de 1000 caloras, deba disminuir, la energa potencial de la masa en 4180 Julios. Por lo que dedujo que la equivalencia entre las unidades de calor y energa es:

4180 J= 1000 cal=1 Kcal, es decir 1 cal=4,18 J, o bien, 1 J=0,24 cal.

Mquinacclicaque recibe calor Q1de un foco caliente a T1. Parte de ese calor es transformada en trabajo W mientras que el resto del calor, Q2, se cede a un foco fro a una temperatura menor T2.

Es decir, un motor trmico es una mquina que toma calor y lo transforma en trabajo til. Sin embargo, y segn dice el segundo principio de la termodinmica, no es posible realizar una conversin integra de calor en trabajo. Esa energa no transformada en trabajo se cede en forma de calor a un foco fro.

Puesto que el proceso es cclico, no hay incremento de energa interna. Por lo tanto:

MOTOR TRMICO

En este tipo de sistemas se realiza un trabajo W sobre la mquina. Gracias a ese trabajo se consigue extraer un calor Q2de un foco fro a una temperatura T2.

La conversin no puede ser completa por lo que adems se cede un calor Q1 a un foco caliente a T1mayor que T2.

La imposibilidad de transformar ntegramente el trabajo en calor extrado es una consecuencia directa del segundo principio de termodinmica.

MQUINA FRIGORFICA

Al igual que ocurra en el caso del motor, se trata de un proceso cclico, por lo tanto no hay incremento de energa interna:

Como ya hemos dicho anteriormente, segn el 2 principio de la termodinmica, Q1nunca puede ser cero. Por lo tanto:

Al ser W>0, necesariamente el calor cedido al foco caliente es mayor que el calor extrado del foco fro.

La eficiencia trmica en una mquina frigorfica es un concepto equiparable al del rendimiento en un motor trmico, pero con la salvedad de que la eficiencia puede ser >1 y el rendimiento nunca puede ser < 1.

Bomba de Calor

En este tipo de sistemas se realiza un trabajo sobre la mquina. Gracias a este trabajo se consigue comunicar un calor Q1a un foco caliente a T1.

La conversin se completa con un calor Q2retirado de un foco frio a T2menor que T1.

El esquema de este tipo de mquinas ser igual que el de las mquinas frigorficas. Sin embargo la finalidad es distinta. En el caso de las mquinas frigorficas el objetivo es retirar calor de un foco fro interior (disminuir su temperatura) y como consecuencia se transmite calor al entorno. En el caso de las bombas de calor el objetivo es suministrar calor a un foco caliente interior (aumentar su temperatura), para ello ser necesario retirar calor de un foco fro que es el entorno de la mquina.

Comparacin entre Mquina Frigorfica y Bomba de Calor

TRANSFORMACIONES TERMOQUMICAS

Proceso en el que un sistema pase de un estado inicial a un estado final en el que el valor de alguna de las propiedades que sirven para describirlo ha variado.

La descripcin de los sistemas se realiza por medio de las funciones de estado.

Se Estudiarn las transformaciones termoqumicas aplicadas en gases perfectos.

PUEDEN SER:

T. Isocora

T. Isbara

T. Isoterma

T. Adiabtica

Volumen Constante

Presin Constante

Temperatura Constante

Se produce sin intercambio de calor

Evaporacin

En la etapa de evaporacin el refrigerante absorbe el calor del espacio que lo rodea y por consiguiente lo enfra. Esta etapa tiene lugar en un componente denominado evaporador, el cual es llamado as debido de que en el refrigerante se evapora cambia de lquido a vapor.

COMPRESIN:

Despus de evaporarse el refrigerante sale del evaporador en forma de vapor a baja presin, pasa al compresor en donde se comprime incrementando su presin (este aumento de presin es necesario para que el gas refrigerante cambie fcilmente a lquido y lo bombea asa la etapa de condensacin).

CONDENSACIN:

La etapa de condensacin del ciclo se efecta en una unidad llamada condensador que

se encuentra localizado en el exterior del espacio refrigerado. Aqu el gas refrigerante a alta presin y alta temperatura, rechaza calor asa el medio ambiente (es enfriado por una corriente de agua o de aire), cambiando de gas a liquido fro y a una alta presin.

CONTROL Y EXPANSIN

Esta etapa es desarrollada por un mecanismo de control de flujo, este dispositivo retiene el flujo y expansiona al refrigerante para facilitar su evaporacin posterior. Despus de que el refrigerante deja el control del flujo se dirige al evaporador para absorber calor y comenzar un nuevo flujo.

REFRIGERACIN:

La refrigeracin se define como el proceso de reduccin y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.

La refrigeracin es una parte de la climatizacin, ya que al climatizar, adems de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento, tambin se controla la humedad, limpieza y distribucin para responder a las exigencias del espacio climatizado.

CICLO TERMODINMICO Y PROCESOS DE REFRIGERACION

CICLO TERMODINMICO

Se denomina ciclo termodinmico cualquier serie de procesos termodinmicos en los que un sistema que parte de un estado inicial, sufre transformaciones termodinmicas o tambin denominado proceso termodinmico1 tras las cuales llega a un estado final que es igual al inicial.

En un ciclo termodinmico:

U=0. La variacin de la energa es nula.

W=Q. El calor transferido por el sistema es igual al trabajo realizado por este mismo. (Primera ley de la Termodinmica).

CICLO TERMODINMICO

Gracias a esta propiedad se puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorfico.

Si el rendimiento fuese perfecto todo el calor que se suministra se podra transformar en calor, pero esto no es as ya que hay prdidas de calor.

Este funcionamiento cclico es la idea de partida de cualquier mquina trmica.

No obstante, a variables como elcaloro eltrabajono es aplicable lo anteriormente dicho ya que stas no sonfunciones de estadodel sistema, sino transferencias de energa entre ste y su entorno

CICLO TERMODINMICO

CICLO TERMODINMICO

CLASIFICACIN DE LOS CICLOS TERMODINMICOS

CICLO DE CARNOT

El ciclo Carnot se considera el ciclo bsico en termodinmica para todos los motores trmicos. Para ello:

Suministra al motor energa en forma de calor a temperatura elevada.

La accin del calor permite realizar un trabajo mecnico al motor.

El motor cede calor al foco de temperatura inferior

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad decalorQ1de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2a la de baja temperatura produciendo untrabajosobre el exterior. El rendimientoviene definido, como en todo ciclo, por

Se produce en cualquier maquina que funcione cclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Unamquina trmicaque realiza este ciclo se denominamquina de Carnot.

Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la mquina absorbe calor de la fuente fra y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la mquina. Si el objetivo de esta mquina es extraer calor de la fuente fra se denominamquina frigorfica, y si es extraer calor de la fuente caliente,bomba de calor.

En la practica es menos difcil conseguir el valor del calor que el de la temperatura (grados kelvin). Por eso se pude considerar que la trasmisin de calor es proporcional a la temperatura de ambos focos.

por tratarse de un gas ideal se puede decir que la variacin de la energa interna es funcin exclusiva de la temperatura.

POR LO TANTO

SE PUEDE DECIR QUE:

CICLO DE CARNOT

Este ciclo consta de cuatro etapas correspondientes con las transformaciones termodinmicas bsicas.

EXPANCIN ISOTRMICA

En este proceso inicialmente la temperatura del gas se mantiene constante permaneciendo en equilibrio en el interior del cilindro. Al producirse la expansin isotrmica entre 1 y 2 el sistema realiza un trabajo W positivo, debido a que aumenta el volumen, comunicando energa al entorno.

EXPANCIN ADIABTICA

Debido a que el proceso es adiabtico no hay transferencia de calor. El gas realiza un trabajo llegando a elevar el embolo, para que el cilindro debe de estar aislado trmicamente.

COMPRESIN ISOTRMICA

En esta etapa es el pistn el que realiza el trabajo. Este es un trabajo de compresin (negativo), por lo que se recibe energa del entorno en forma de trabajo y se cede una energa equivalente en forma de calor.

COMPRESIN ADIABTICA

Es la ltima etapa y en ella se alcanzan los mismos valores del principio pero sin transferencia de calor con el exterior.

Esquema de una mquina de Carnot. La mquina absorbe calor desde la fuente caliente T1y cede calor a la fra T2produciendo trabajo.

EJERCICIO DEL CICLO DE CARNOT

Una mquina trmica reversible con un rendimiento del 30% y cuyo foco fro se encuentra a 107C, cede una cantidad de calor de 120 kcal a dicho foco fro durante cada ciclo. Determina la temperatura y el calor cedido por el foco caliente.

CICLO DE ERICSSON

Ciclo termodinmico reversible y por tanto nos da el rendimiento mximo que se puede obtener de la mquina.

fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobricas

CICLO DE STIRLING

En este ciclo termodinmico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotrmicas y dos transformaciones isocricas.

CICLO DE RANKINE

El ciclo Rankine opera con vapor.

Desde el punto de vista netamente termodinmico,bajamosla temperatura de la fuente fra, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.

Desde el punto de vistamecnico, lapresinen el condensador es muy inferior a la atmosfrica, lo que hace que lamquinaopere con unsaltode presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor

EN QUE CONSISTE L CICLO DE RANKINE

Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presin del vapor, que se hace incidir sobre los labes de una turbina, donde pierde presin produciendo energa cintica.

Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se lica, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentar la presin para ser de nuevo introducido en la caldera

En la representacin del diagrama de P-V del ciclo en los que el fluidos se vaporiza , aparece una campana llamada de cambio de fase.

A la izquierda corresponde al estado lquido, en las que hay escasa modificacin de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presin.

A la derecha corresponde al estado vapor, aqu el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.

Diagrama p-v

Dentro de la campana, el fluido se est evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es as porqu dada una presin, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporacin.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

Diagrama p-v

OTRO ANLISIS

En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor. por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo

En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo.

La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina.

OTRO ANLISIS

La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V.

Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.

Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.

CICLO DE REFRIGERACIN

Se denomina ciclo de refrigeracin al proceso que sigue el refrigerante, empezando por un estado inicial y terminando en el mismo estado.

En el ciclo de refrigeracin circula un refrigerante (para reducir o mantener la temperatura de un ambiente por debajo de la temperatura del entorno se debe extraer calor del espacio y transferirlo a otro cuerpo cuya temperatura sea inferior a la del espacio refrigerado, todo esto lo hace el refrigerante) que pasa por diversos estados o condiciones, cada uno de estos cambios se denomina procesos. Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos refrigerar hacia el exterior.

PROCESOS FUNDAMENTALES

Compresin.

Condensacin.

Expansin.

Evaporacin.

COMPONENTES DE UN CICLO DE REFRIGERACIN.

COMPRESOR

Tiene la funcin de comprimir el gas que permite en un ciclo de compresin/descompresin producir una transferencia de calor de una parte a otra de un circuito frigorfico. En efecto, cuando se comprime un gas, se calienta y al contrario, cuando se libera, su temperatura se reduce

CONDENSADOR:

Es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado lquido, tambin conocido como fase de transicin. El propsito es condensar la salida de vapor de la turbina de vapor para as obtener mxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera.

VLVULA.

Tiene la capacidad de generar la cada de presin necesaria entre el condensador y el evaporador en el sistema. Bsicamente su misin, en los equipos de expansin directa (o seca), se restringe a dos funciones: la de controlar el caudal de refrigerante en estado lquido que ingresa al evaporador y la de sostener un sobrecalentamiento constante a la salida de este.

EVAPORADOR.

El evaporador es un intercambiador de calor en el cual se efecta el paso del gas de fase lquida a fase gas. Para que el gas en fase lquida cambie de estado precisa absorber gran cantidad de calor y este es el objetivo base.

VENTILADOR.

Maquina rotativa que transmite energa al fluido que circula por ella, bajo la forma de aumento de presin. Esta es una de las partes ms importantes del sistema de aire acondicionado. Sin ella, el aire de su habitacin se mantiene caliente.

TIPOS DE CICLOS MS IMPORTANTES

CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

Este ciclo de refrigeracin difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes.

SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN

Mediante energa mecnica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, haba absorbido el mismorefrigerantea un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energa mecnica, generalmente mediante energa elctrica.

Un ciclo simple frigorfico comprende cuatro procesos fundamentales:

La regulacin

La evaporacin

La compresin

La condensacin

LA REGULACION

El ciclo de regulacin ocurre entre el condensador y el evaporador, en efecto, el refrigerante lquido entra en el condensador a alta presin y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a travs del regulador.

La presin del lquido se reduce a la presin de evaporacin cuando el lquido cruza el regulador, entonces la temperatura de saturacin del refrigerante entra en el evaporador y ser en este lugar donde se enfra.

Una parte del lquido se evapora cuando cruza el regulador con el objetivo de bajar la temperatura del refrigerante a la temperatura de evaporacin.

LA EVAPORACION

En el evaporador, el lquido se vaporiza a presin y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Todo el refrigerante se vaporizada completamente en el evaporador, y se recalienta al final del evaporador.

LA COMPRESION

Por la accin del compresor, el vapor resultante de la evaporacin es aspirado por el evaporador por la lnea de aspiracin hasta la entrada del compresor. En el compresor, la presin y la temperatura del vapor aumenta considerablemente gracias a la compresin, entonces al vapor a alta temperatura y a alta presin es devuelto por la lnea de expulsin.

LA CONDENSACION

El vapor atraviesa la lnea de expulsin hacia el condensador donde libera el calor hacia el aire exterior. Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturacin que corresponde a su nueva presin. En la liberacin de su calor, el vapor se condensa completamente y entonces es enfriado.

El lquido enfriado llega al regulador y est listo para un nuevo ciclo.

PROCESOS EN EL COMPRENSOR

PROCESO ADIABATICO

EN EL CONDENSADOR - ENFRIADOR

PROCESOS ISOBARICO

EN LA VALVULA DE EXPANSION

PROCESO ISOENTLPICO