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Ciclo invertido de Carnot
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor
1-2 Compresión isoentrópica en un compresor 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador Nota: En el diagrama T-s se muestra la diferencia entre el ciclo por compresión de vapor y el invertido de Carnot. Además hay que resaltar que la válvula de estrangulamiento se utiliza en lugar de la turbina por cuestiones económicas y que dicho instrumento no puede ser tratado como isoentrópico.
Los cuatro procesos asociados con el ciclo de vapor son dispositivos de flujo estable y los cambios en las energías cinética y potencial, suelen ser pequeños en relación a los términos de trabajo y calor.
El compresor puede calcularse como adiabático y entonces el coeficiente de funcionamiento está dado como sigue:
Donde h1=hg @ P1 y h3 = hf @ P3; en el caso ideal unicamente.
Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno ideal de varias maneras debido principalmente a irreversibilidades generadas por pérdidas por fricción y la transferencia de calor desde o hacia los alrededores. En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo en la práctica no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso el sistema se diseña de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando ingrese al compresor. Así mismo la línea que conecta el evaporador con el compresor suele ser muy larga, por lo que la caída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas.
El resultado del sobrecalentamiento, la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión en el evaporador y la línea de conexión, es un aumento en el volumen específico, y por lo tanto, un aumento en los requerimientos de entrada de potencial al compresor, ya que el trabajo de flujo estable es proporcional al volumen específico. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático, en consecuencia, isoentrópico. Sin embargo, el proceso real incluirá efectos friccionántes (los cuales incrementan la entropía) y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente la entropía del refrigerante aumenta (proceso 1-2) o disminuye (proceso 1-2’) durante un proceso de compresión real, de acuerdo con los efectos que predominen. El proceso de compresión 1-2’ puede ser más deseable que el proceso de compresión isoentrópico, puesto que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son más pequeños.
En el caso ideal se supone que el refrigerante sale del condensador como líquido saturado a la presión de salida del compresor. En la realidad, sin embargo, es inevitable tener cierta caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el compresor y con la válvula de estrangulamiento. La válvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca uno del otro, de modo que la caída de presión en la línea de conexión es pequeña.
Sistemas de refrigeración en cascada
Ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas.
A partir del diagrama T-s, se puede deducir que el trabajo del compresor disminuye y que la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada. Por tanto este sistema mejora el CDF, con respecto a los sistemas simples de una sola etapa. Algunos sistemas llegan a utilizar tres o cuatro etapas.
Si se supone que el intercambiador de calor que une a los dos ciclos está bien aislado y las energías cinética y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. De modo que la relación de las tasas de flujos másicos en cada ciclo debe ser:
Ciclos de refrigeración de gas
1-2 Compresión de gas 2-3 Enfriamiento a presión constante 3-4 Expansión en una turbina 4-1 Absorción de calor del medio frío
A pesar de su bajo CDF, los ciclos de refrigeración de gas tienen dos características deseables: incluyen componentes simples más ligeros, que los hacen adecuados para el enfriamiento de aviones y pueden incorporar regeneración, por lo que son adecuados en la licuefacción de gases y en las aplicaciones criogénicas.
El enfriamiento regenerativo se logra al insertar un intercambiador de calor a contraflujo dentro del ciclo. Sin regeneración la temperatura más baja de la turbina es To (Temperatura de los alrededores o cualquier otro medio de enfriamiento). Con regeneración el gas de alta presión se enfría aún más hasta T4, antes de expandirse en la turbina. La disminución de la temperatura de entrada a la turbina reduce automáticamente la temperatura de salida de la misma, que es la temperatura mínima del ciclo. Es posible conseguir temperaturas muy bajas si se repite dicho procedimiento.
Comentarios Dado que ya saben manejar cada uno de los equipos que se muestran en los ciclos de refrigeración, es fácil darse cuenta que lo único que cambia además del sentido del fluido de trabajo es la forma de calcular los rendimientos, lo demás es lo mismo que se ha venido haciendo. Estudien la presentación y cualquier duda vayan conmigo y les explico.