Tarea S6, Termodinamica 3s2s2z
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Ciclos de refrigeración Sebastián Molina Calderón Termodinámica Instituto IACC 30-09-2018
Desarrollo INSTRUCCIONES: DESARROLLO DE LA TAREA:
Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias.
Respuesta: En tema de comparación, las diferencias fundamentales que podemos mencionar, entre los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, y el ciclo invertido de Carnot son:
El fluido de trabajo entra en el compresor en condiciones de vapor saturado, provocando un sobrecalentamiento del mismo, esto hace necesario tener que enfriar el vapor, desde la temperatura a la salida del compresor hasta la condensación a la misma presión
A la salida del condensador (en condiciones de líquido saturado) el fluido se somete a una expansión isoentálpica en vez de isentrópica, con el fin de simplificar la instalación. Proceso que se consigue por medio de una válvula de estrangulamiento.
Se le denomina ciclo teórico, debido a que no se consideran pérdidas de presión en los conductos, por el carácter isentrópica de la compresión y por el carácter saturado del fluido tanto tras la condensación como la evaporación, por su parte el ciclo real, representa una mayor aproximación a los ciclos recorrido de los fluidos refrigerantes de una máquina de refrigeración real, las diferencias entre el ciclo teórico y el ciclo real se fundamentan en los siguientes aspectos:
Compresión no isentrópica, caracterizada por un rendimiento isentrópica inferior a la unidad.
Sobrecalentamiento del vapor en la parte final del evaporador. Si éste existe, el vapor no entra en el compresor saturado sino sobrecalentado, tiene su lado beneficioso ya que asegura ausencia de líquido en el compresor, pero a la vez perjudicial debido a que eleva demasiado la temperatura máxima del ciclo a la salida del compresor.
Sub-enfriamiento del líquido en la parte final del condensador.
Pérdidas de presión a través de los conductos.
Pérdidas de calor en los conductos que conectan el condensador y el evaporador con el compresor y la válvula.
Tabla de similitudes y diferencia entre ciclos Ciclos
Invertido de Carnot
Similitudes
o
o
Ideales
con o
Trabajan
Trabajan
con
fluidos
fluidos
condensables.
condensables.
condensables.
Utiliza
presión y o
Utiliza
Su
fluido
contra
ciclo
Utiliza
presión y o
temperatura. de o
refrigeración. o
con o
Trabajan
fluidos
temperatura. o
Reales
Utiliza
las
manecillas del reloj
Su
fluido
contra
ciclo
presión y
temperatura. de o
refrigeración. opera o
Utiliza
Utiliza fluido de refrigeración.
opera o las
manecillas del reloj
Su contra
ciclo
opera las
manecillas del reloj
en un diagrama T-s.
en un diagrama T-s.
en un diagrama T-s.
o Proceso isotérmico o Proceso isotérmico o Proceso isotérmico
Diferencias
de condensador y
de condensador y
de condensador y
evaporador.
evaporador.
evaporador.
o Utiliza válvula de o Utiliza válvula de
o Utiliza Turbina.
expansión o tubo
expansión o tubo
capilar.
capilar.
o Su eficiencia solo depende
de
temperaturas
las de o En el estado 1, el o
cesión y absorción
refrigerante
de calor.
encuentra
o Es completamente reversible.
se como
vapor saturado.
El
refrigerante
llega al compresor ligeramente sobrecalentado.
o En el ciclo ideal el o En la realidad, los proceso
de
efectos
compresión
es
fricción
adiabático
e
isentrópica.
de
que
incrementa entropía
la
la y
la
transferencia
de
calor,
pueden
aumentar
o
disminuir
la
entropía dependiendo de la
dirección (enfriamiento
o
calentamiento).
o El ciclo ideal es o El
ciclo
real,
perfecto y no se experimenta consideran pérdidas tanto de pérdidas
de presión como de
presión
ni
de calor por medio
calor. de los conductos.
Finalmente lo que causa las diferencias entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, radican fundamentalmente en que, aunque los procesos isotérmicos en el condensador y el evaporador pueden ser realizados en dispositivos reales, los procesos de compresión y expansión se realizarían con el refrigerante mostrando dos fases, por lo que se requerirían equipos muy especiales y de alto costo para manejar esta situación, ello debido a la irreversibilidad en los procesos de compresión y expansión con fluidos bifásicos. A ello se le suma la alta concentración de líquido que dañaría las máquinas compresor y turbina,
Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de refrigeración para uso industrial, compare sus componentes, desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuáles criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante.
Respuesta: I.
Equipos
de
aire
II.
productos
acondicionado automotriz.
Componentes
Cámara frigorífica para conservación de perecibles.
Compresor de aire.
Cilindro de nitrógeno.
Condensador
Válvula de escape de sobre presión.
Presostato.
Conductos.
Filtro deshidratante.
Distribuidor.
Válvula de expansión.
Ventilador.
Evaporador.
Termostato.
Conductos.
Válvula solenoide conducto de nitrógeno.
Desempeño Tipo
de R134a
Nitrógeno líquido.
refrigerante Para ambos casos, los criterios más importantes que se toman en cuenta hoy por hoy para el desarrollo o implementación de un sistema de refrigeración en cualquier sector industrial, es el cuidado del medio ambiente, es por ello que en para el caso del sistema de aire acondicionado automotriz, se ha reemplazado el antiguo refrigerante freón R-12 por su destructivo efecto dañino sobre la capa de Ozono y su contribución al efecto invernadero, por el revolucionario R134a. Por su parte los sistemas que utilizan nitrógeno toman como criterio principal que debido a que El aire que hay en la atmósfera está compuesto de un 78% de nitrógeno y es la fuente de origen del nitrógeno que se utiliza para la refrigeración. No es tóxico, por lo que se puede liberar en la atmósfera sin miedo a que dañe el medio ambiente.
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1.000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento
de 400 kW. Respuesta: Datos: T1vapor saturado= 4° h1 = 252.77 kJ/kg s1= 0.92927kJ/kg×K P2 = 1000kPa = 1Mpa S2= S1 h2 = 275.29 kJ/kg P3líquido saturado= 1000kPa h3 = 107.32 kJ/kg h4 ≅ h3 = 107.32kJ/kg Modelo matemático y procedimiento de solución en base a lo estudiado. kJ
400
̇
QL s 𝑄̇ L = 𝑚̇ (h1 – h4) 𝑚̇ = h −h =(252.77−107.32)kJ/kg =2.75kg/s 1
4
𝑤̇ Entrada = 𝑚̇ (h2 – h1) = (2.75kg/s) (275.29 – 252.77)kJ/kg = 61.93kW
COPR = Ẇ
𝑄̇L entrada
400kW
= 61.39kW = 6.46
El COP de este sistema es 6.46, mientras que la potencia requerida para proporcionar una carga de enfriamiento de 400kW es 61.93 kW. Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 MPa y -5 °C a un flujo másico de 0,7 kg/s, y sale a 1,2 MPa y 70 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 44 °C y 1,15 MPa, y se estrangula a 0,2 MPa. Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine: a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. b. La eficiencia isentrópica del compresor c. El COP del refrigerador. Respuesta: Suposiciones: a) Condiciones de operación estacionarias. b) Los cambios de energía cinética y potencial son despreciables en los diferentes procesos.
En el diagrama T-s, se muestran los datos del problema planteado. a) La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado (carga de refrigeración) se calcula a partir de las entalpías h1 y h4 (empleando la primera ley al proceso 1-4). Ecuación 1 𝐐̇𝐛 = 𝒎̇(h1 –h4) La entalpía h1 la obtenemos de la tabla del refrigerante 134a sobrecalentado (tabla A-13, recursos adicionales) con P1 = 200kPa y T1 = -5°C, por interpolación. 253.05+244.54 = 497.59/2= 248.80kJ/kg h1 = 248.80kJ/kg
Ya sabemos que la entalpía h4 es aproximadamente igual a la entalpía h3, esto debido a que el proceso de expansión 3-4 en la válvula suponemos que es isoentálpico.
Por tanto h3 se obtiene de la tabla del refrigerante 134a saturado (A-11), con la presión P3 = 1150kPa, y T3 = 44°C, ello asumiendo que el punto 3, está muy próximo a la línea de líquido saturado (Tsat.=44.56°C). h4≈ h3 =hf =115.16kJ/kg
Reemplazamos estos valores en la ecuación 1 y obtenemos: 𝐐̇𝐛 = 𝒎̇(h1 –h4) =( 0.7kg/s) [(248.80 – 115,16)kJ/kg] = 93,55kW La potencia de entrada al compresor Wentrada, la calculamos con las entalpías h2 y h1, esto por la aplicación de la segunda ley de termodinámica al proceso de compresión. 𝐖̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 𝒎̇ (ℎ2−ℎ1) De la tabla de refrigerante 134a sobrecalentado, obtenemos la entalpía h2 con p2 = 1.2 MPa y T2 = 70°C. H2 = 300.61kJ/kg 𝐖̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= =( 0.7kg/s) [(300.61– 248.80)kJ/kg] = 41,448kW
b) La eficiencia isentrópica se calcula a partir de su definición: 𝜂𝐶=
ℎ2𝑠−ℎ1 ℎ2−ℎ1
La entalpía isentrópica la obtenemos de tablas, tomando en cuenta claro que para el proceso ideal de compresión s2s =s1 y por lo tanto esta última entropía, la podemos obtener de igual manera que obtuvimos la entalpía h1. S1 =0.9539kJ/kg×K Con s2 = s1 y p2 = 1.2 MPa de la tabla A-13, obtenemos por interpolación. 0,9267
278,27
0,9539
287,18
0,9614
289,64
h2s = 287.18 kJ/kg Por lo tanto nuestra eficiencia será: 287.18−248.80
ƞ =300,61−248.80 = 0,7408 ƞ ≈ 74.1%
Por último el COP del refrigerador, al igual se calcula a partir de su definición: 𝑄̇
93.55
COPR =𝑊̇ b = 41.448 = 2.26 𝑒𝑛𝑡
Bibliografía Contenidos adicionales semana 6, tablas termodinámicas, ejercicios resueltos. Fuente: AC/ sistema de aire acondicionado. https://www.google.cl/search?q=aire+acondicionado Fuente: https://www.diaridetarragona.com/economia/ http://www.carrier.es/news/Refrig-1.htm IACC (2018). Ciclos de refrigeración. Termodinámica. Semana 6.
Desarrollo INSTRUCCIONES: DESARROLLO DE LA TAREA:
Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias.
Respuesta: En tema de comparación, las diferencias fundamentales que podemos mencionar, entre los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, y el ciclo invertido de Carnot son:
El fluido de trabajo entra en el compresor en condiciones de vapor saturado, provocando un sobrecalentamiento del mismo, esto hace necesario tener que enfriar el vapor, desde la temperatura a la salida del compresor hasta la condensación a la misma presión
A la salida del condensador (en condiciones de líquido saturado) el fluido se somete a una expansión isoentálpica en vez de isentrópica, con el fin de simplificar la instalación. Proceso que se consigue por medio de una válvula de estrangulamiento.
Se le denomina ciclo teórico, debido a que no se consideran pérdidas de presión en los conductos, por el carácter isentrópica de la compresión y por el carácter saturado del fluido tanto tras la condensación como la evaporación, por su parte el ciclo real, representa una mayor aproximación a los ciclos recorrido de los fluidos refrigerantes de una máquina de refrigeración real, las diferencias entre el ciclo teórico y el ciclo real se fundamentan en los siguientes aspectos:
Compresión no isentrópica, caracterizada por un rendimiento isentrópica inferior a la unidad.
Sobrecalentamiento del vapor en la parte final del evaporador. Si éste existe, el vapor no entra en el compresor saturado sino sobrecalentado, tiene su lado beneficioso ya que asegura ausencia de líquido en el compresor, pero a la vez perjudicial debido a que eleva demasiado la temperatura máxima del ciclo a la salida del compresor.
Sub-enfriamiento del líquido en la parte final del condensador.
Pérdidas de presión a través de los conductos.
Pérdidas de calor en los conductos que conectan el condensador y el evaporador con el compresor y la válvula.
Tabla de similitudes y diferencia entre ciclos Ciclos
Invertido de Carnot
Similitudes
o
o
Ideales
con o
Trabajan
Trabajan
con
fluidos
fluidos
condensables.
condensables.
condensables.
Utiliza
presión y o
Utiliza
Su
fluido
contra
ciclo
Utiliza
presión y o
temperatura. de o
refrigeración. o
con o
Trabajan
fluidos
temperatura. o
Reales
Utiliza
las
manecillas del reloj
Su
fluido
contra
ciclo
presión y
temperatura. de o
refrigeración. opera o
Utiliza
Utiliza fluido de refrigeración.
opera o las
manecillas del reloj
Su contra
ciclo
opera las
manecillas del reloj
en un diagrama T-s.
en un diagrama T-s.
en un diagrama T-s.
o Proceso isotérmico o Proceso isotérmico o Proceso isotérmico
Diferencias
de condensador y
de condensador y
de condensador y
evaporador.
evaporador.
evaporador.
o Utiliza válvula de o Utiliza válvula de
o Utiliza Turbina.
expansión o tubo
expansión o tubo
capilar.
capilar.
o Su eficiencia solo depende
de
temperaturas
las de o En el estado 1, el o
cesión y absorción
refrigerante
de calor.
encuentra
o Es completamente reversible.
se como
vapor saturado.
El
refrigerante
llega al compresor ligeramente sobrecalentado.
o En el ciclo ideal el o En la realidad, los proceso
de
efectos
compresión
es
fricción
adiabático
e
isentrópica.
de
que
incrementa entropía
la
la y
la
transferencia
de
calor,
pueden
aumentar
o
disminuir
la
entropía dependiendo de la
dirección (enfriamiento
o
calentamiento).
o El ciclo ideal es o El
ciclo
real,
perfecto y no se experimenta consideran pérdidas tanto de pérdidas
de presión como de
presión
ni
de calor por medio
calor. de los conductos.
Finalmente lo que causa las diferencias entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor, radican fundamentalmente en que, aunque los procesos isotérmicos en el condensador y el evaporador pueden ser realizados en dispositivos reales, los procesos de compresión y expansión se realizarían con el refrigerante mostrando dos fases, por lo que se requerirían equipos muy especiales y de alto costo para manejar esta situación, ello debido a la irreversibilidad en los procesos de compresión y expansión con fluidos bifásicos. A ello se le suma la alta concentración de líquido que dañaría las máquinas compresor y turbina,
Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de refrigeración para uso industrial, compare sus componentes, desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuáles criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante.
Respuesta: I.
Equipos
de
aire
II.
productos
acondicionado automotriz.
Componentes
Cámara frigorífica para conservación de perecibles.
Compresor de aire.
Cilindro de nitrógeno.
Condensador
Válvula de escape de sobre presión.
Presostato.
Conductos.
Filtro deshidratante.
Distribuidor.
Válvula de expansión.
Ventilador.
Evaporador.
Termostato.
Conductos.
Válvula solenoide conducto de nitrógeno.
Desempeño Tipo
de R134a
Nitrógeno líquido.
refrigerante Para ambos casos, los criterios más importantes que se toman en cuenta hoy por hoy para el desarrollo o implementación de un sistema de refrigeración en cualquier sector industrial, es el cuidado del medio ambiente, es por ello que en para el caso del sistema de aire acondicionado automotriz, se ha reemplazado el antiguo refrigerante freón R-12 por su destructivo efecto dañino sobre la capa de Ozono y su contribución al efecto invernadero, por el revolucionario R134a. Por su parte los sistemas que utilizan nitrógeno toman como criterio principal que debido a que El aire que hay en la atmósfera está compuesto de un 78% de nitrógeno y es la fuente de origen del nitrógeno que se utiliza para la refrigeración. No es tóxico, por lo que se puede liberar en la atmósfera sin miedo a que dañe el medio ambiente.
Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1.000 kPa y el evaporador a 4 °C. Determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento
de 400 kW. Respuesta: Datos: T1vapor saturado= 4° h1 = 252.77 kJ/kg s1= 0.92927kJ/kg×K P2 = 1000kPa = 1Mpa S2= S1 h2 = 275.29 kJ/kg P3líquido saturado= 1000kPa h3 = 107.32 kJ/kg h4 ≅ h3 = 107.32kJ/kg Modelo matemático y procedimiento de solución en base a lo estudiado. kJ
400
̇
QL s 𝑄̇ L = 𝑚̇ (h1 – h4) 𝑚̇ = h −h =(252.77−107.32)kJ/kg =2.75kg/s 1
4
𝑤̇ Entrada = 𝑚̇ (h2 – h1) = (2.75kg/s) (275.29 – 252.77)kJ/kg = 61.93kW
COPR = Ẇ
𝑄̇L entrada
400kW
= 61.39kW = 6.46
El COP de este sistema es 6.46, mientras que la potencia requerida para proporcionar una carga de enfriamiento de 400kW es 61.93 kW. Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 MPa y -5 °C a un flujo másico de 0,7 kg/s, y sale a 1,2 MPa y 70 °C. El refrigerante se enfría en el condensador a 44 °C y 1,15 MPa, y se estrangula a 0,2 MPa. Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine: a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. b. La eficiencia isentrópica del compresor c. El COP del refrigerador. Respuesta: Suposiciones: a) Condiciones de operación estacionarias. b) Los cambios de energía cinética y potencial son despreciables en los diferentes procesos.
En el diagrama T-s, se muestran los datos del problema planteado. a) La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado (carga de refrigeración) se calcula a partir de las entalpías h1 y h4 (empleando la primera ley al proceso 1-4). Ecuación 1 𝐐̇𝐛 = 𝒎̇(h1 –h4) La entalpía h1 la obtenemos de la tabla del refrigerante 134a sobrecalentado (tabla A-13, recursos adicionales) con P1 = 200kPa y T1 = -5°C, por interpolación. 253.05+244.54 = 497.59/2= 248.80kJ/kg h1 = 248.80kJ/kg
Ya sabemos que la entalpía h4 es aproximadamente igual a la entalpía h3, esto debido a que el proceso de expansión 3-4 en la válvula suponemos que es isoentálpico.
Por tanto h3 se obtiene de la tabla del refrigerante 134a saturado (A-11), con la presión P3 = 1150kPa, y T3 = 44°C, ello asumiendo que el punto 3, está muy próximo a la línea de líquido saturado (Tsat.=44.56°C). h4≈ h3 =hf =115.16kJ/kg
Reemplazamos estos valores en la ecuación 1 y obtenemos: 𝐐̇𝐛 = 𝒎̇(h1 –h4) =( 0.7kg/s) [(248.80 – 115,16)kJ/kg] = 93,55kW La potencia de entrada al compresor Wentrada, la calculamos con las entalpías h2 y h1, esto por la aplicación de la segunda ley de termodinámica al proceso de compresión. 𝐖̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 𝒎̇ (ℎ2−ℎ1) De la tabla de refrigerante 134a sobrecalentado, obtenemos la entalpía h2 con p2 = 1.2 MPa y T2 = 70°C. H2 = 300.61kJ/kg 𝐖̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= =( 0.7kg/s) [(300.61– 248.80)kJ/kg] = 41,448kW
b) La eficiencia isentrópica se calcula a partir de su definición: 𝜂𝐶=
ℎ2𝑠−ℎ1 ℎ2−ℎ1
La entalpía isentrópica la obtenemos de tablas, tomando en cuenta claro que para el proceso ideal de compresión s2s =s1 y por lo tanto esta última entropía, la podemos obtener de igual manera que obtuvimos la entalpía h1. S1 =0.9539kJ/kg×K Con s2 = s1 y p2 = 1.2 MPa de la tabla A-13, obtenemos por interpolación. 0,9267
278,27
0,9539
287,18
0,9614
289,64
h2s = 287.18 kJ/kg Por lo tanto nuestra eficiencia será: 287.18−248.80
ƞ =300,61−248.80 = 0,7408 ƞ ≈ 74.1%
Por último el COP del refrigerador, al igual se calcula a partir de su definición: 𝑄̇
93.55
COPR =𝑊̇ b = 41.448 = 2.26 𝑒𝑛𝑡
Bibliografía Contenidos adicionales semana 6, tablas termodinámicas, ejercicios resueltos. Fuente: AC/ sistema de aire acondicionado. https://www.google.cl/search?q=aire+acondicionado Fuente: https://www.diaridetarragona.com/economia/ http://www.carrier.es/news/Refrig-1.htm IACC (2018). Ciclos de refrigeración. Termodinámica. Semana 6.
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