REFRIGERACION

Refrigeración Balance Termodinámico

El arte de la refrigeración basado en el hielo natural es muy antiguo y se practicó mucho antes de construirse cualquier máquina térmica. Hay escritos chinos, anteriores al primer milenio A.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo. Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y según Las mil y una noches, en la Edad Media caravanas de camellos transportaban hielo desde el Líbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad.

La primera máquina de refrigeración continua realmente operativa fue la construida en 1874 por Carl Ritter von Linde  (Berndorf 1842 - Munic 1934 ). William Hampson y Carl von Linde presentaron de forma independiente la patente del ciclo en 1895, que se comercializó por General Electric hasta 1927. Actualmente los refrigeradores domésticos son modelos más prácticos y amigables con el ambiente, y funcionan a través de un sistema de compresión de gas.

                                             Vídeo Carl Von Linde and Refrigeration

Balance Termodinámico de Ciclo de Refrigeración

Publicada 21/5/16   Academia Térmicas ESIME AZC. Derechos Reservados
Prof: Jesús Reyes Z

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos.

Balance de energía en partes principales

1-2    Compresión adiabática isoentrópica en el compresor.

2-3    Rechazo de calor a presión constante en el condensador.

3-4    Estrangulamiento isoentálpico en la válvula termostática de expansión.

4-1    Absorción de calor a presión constante en el evaporador (efecto refrigerante).

Los refrigeradores son máquinas cíclicas y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes ( se pueden descargar las propiedades termodinámicas de algunos refrigerantes al final en los enlaces correspondientes).

En el ambiente de la refrigeración, El calor que se retira en el evaporador, se conoce como la capacidad de enfriamiento del equipo, y usualmente se emplea la tonelada de refrigeración (TR) como una medida de esta capacidad, cuyo equivalente en  kW es. 

                                                             1TR = 3.517 kW

                                                               1TR = 12000 BTU/hr

                                                               1TR = 3024 kCal/hr

En el siguiente vídeo, se muestra como trabaja el ciclo de refrigeración por compresión de vapor y la función que tiene cada uno de los componentes.

Refrigerador domestico

Mini Split

Los equipos mas usuales que vemos a diario, es el refrigerador domestico y los equipos de acondicionamiento de aire para casas habitación en el siguiente vídeo podemos ver como funcionan estos equipos.

Otra máquina que transfiere calor de un medio de baja temperatura a otro de alta temperatura es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo; únicamente. difieren en sus objetivos. El objetivo de un refrigerador, es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura, en tanto que el de una bomba de calor es mantener un espacio caliente a temperatura alta.

El desempeño de los refrigeradores y las bombas de calor se expresa en términos del coeficiente de operación. (COP), definido como.

  

El funcionamiento de una bomba de calor lo podemos ver en el siguiente vídeo.

Bomba de calor

Downloads de refrigerantes.

Tablas de propiedades termodinámicas de  refrigerantes en pdf, para descargar la tabla, da click en el refrigerante deseado.

R134A
R404A
R410A
R22
R717(NH3 saturado)
R717(NH3 recalentado)

Diagramas presión entalpía de refrigerantes en pdf, para descargar el diagrama P-h, da click en el refrigerante deseado.

R134A
R404A
R410A
R22
R717

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video calentamiento

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Relaciones Tds

Las relaciones Tds para procesos reversibles e irreversibles son:

Como:

así:

Por lo que:

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Escala de Temperaturas

Lord Kelvin (1848) establece a partir del teorema de Carnot una nueva escala de temperaturas que no depende de las propiedades del cuerpo.

                                        LA TEMPERATURA Y LA LEY DE LOS GASES IDEALES

Estableciendo un número cualquiera de máquinas de Carnot, sí el trabajo de todas las máquinas es igual.



Sea Tf = 0°C la temperatura absoluta de fusión del hielo y Te = 100°C la temperatura absoluta de ebullición del agua, dividiendo en cien el intervalo.



Realizando experimentalmente un ciclo de Carnot entre estas dos temperaturas, se obtendrá un rendimiento de η.





Siendo la escala Termodinámica de temperaturas.


 

                                                     BAJAS TEMPERATURAS








 

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Bomba de Calor

Una bomba de calor es un dispositivo mecánico que transporta energía térmica de una región a baja temperatura a una región a temperatura mayor. La figura es una representación esquemática de una bomba de calor. La temperatura exterior es Tf y la energía térmica absorbida por el fluido circulante es Qf. La bomba de calor realiza un trabajo W sobre el fluido, y la energía térmica transferida de la bomba de calor hacia el interior del edificio es Qc.

La eficacia de la bomba de calor, en el modo de calentamiento, se describe en función de un número conocido como el coeficiente de operación, COPbc. Éste se define como la razón entre el calor transferido al depósito y el trabajo que se requiere para transferir el calor.





Una máquina térmica en un ciclo de Carnot que opere a la inversa constituye una bomba de calor; de hecho, es la bomba de calor con el coeficiente de rendimiento más alto posible para las temperaturas entre las cuales opera. El máximo coeficiente de realización es:





En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa.

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Refrigerador de Carnot

                                                               SADI CARNOT

En su libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance," Sadi Carnot también aborda el funcionamiento del refrigerador, aunque lo llama "máquina inversa". Describe cómo este dispositivo puede extraer calor de un cuerpo frío y transferirlo a uno más cálido mediante un ciclo termodinámico inverso. Carnot destaca que la eficiencia del refrigerador depende de la relación de temperaturas y subraya la importancia de la segunda ley de la termodinámica para comprender su operación. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo posterior de sistemas de refrigeración y climatización, permitiendo aplicaciones prácticas y mejoras tecnológicas en este campo.

Se sabe que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura más alta a la más baja, este proceso ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por si mismo, como lo dice el enunciado de Clausius.

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere de un refrigerador. Al invertir el ciclo de la máquina térmica de Carnot, obtenemos un ciclo de refrigeración de Carnot. Todos los procesos son internamente reversibles.

El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfría su interior bombeando energía térmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior más caliente. Durante su operación, un refrigerador elimina una cantidad de energía térmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realización de un refrigerador o de una bomba de calor se define en términos de Qf:




En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa.

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Maquina Térmica de Carnot

                                                               SADI CARNOT

El libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego y sobre las Máquinas Apropiadas para Desarrollar esta Potencia), escrito por Sadi Carnot y publicado en 1824, es considerado el fundamento de la Termodinámica. Carnot analiza las máquinas térmicas y establece el concepto de "ciclo termodinámico ideal". Introduce la noción de que el rendimiento de una máquina depende de la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fría. Su trabajo sentó las bases para futuros desarrollos en esta ciencia y es esencial en el estudio de la conversión de energía térmica en trabajo mecánico.

"Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos de dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura".

El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica en la siguiente figura.

Siendo su rendimiento.

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Proceso irreversible

Todos los procesos que no son reversibles son irreversibles. Estos involucran rozamiento, perdidas de calor y otras irreversibilidades.

Un proceso irreversible es aquel que no puede invertirse, a menos que se efectue un cambio de los alrrededores. Ocurren expontaneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno, lo que hace imposible la irreversibilidad.

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Proceso reversible

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores, Tanto el sistema como sus alrededores regresan a sus estados iniciales al finalizar el proceso.

 El trabajo del proceso de 1-2 es el mismo de 2-1, por lo que no serán afectados los alrededores, ni el sistema, cuando regresan a su estado original.

 W1-2 = W2-1

 Ejemplos de ´Procesos Reversibles.

1.- Expansión o compresión controlada (muy lenta) de un gas.

2.- Movimiento sin fricción.

3.- Deformación elástica de un sólido

En realidad los procesos reversibles no ocurren en la naturaleza. Son idealizaciones de los procesos reales, que sirven como modelos para ser comparados con los procesos reales.

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Enunciado de Clausius

Enunciado de la 2ª Ley de la Termodinámica de Clausius 

Rudolf Clausius fue un destacado físico y matemático del siglo XIX que realizó una valiosa contribución a la Segunda Ley de la Termodinámica. 

Rudolf Clausius 1850

En 1850, Clausius formuló el concepto clave de "entropía" y enunció el famoso principio de la Segunda Ley

 "En un sistema aislado, la entropía nunca disminuye, siempre aumenta o se mantiene constante en el equilibrio". Introdujo el término "entropía" para medir la cantidad de energía no utilizable en un sistema, es decir, el grado de desorden o aleatoriedad molecular.

Su trabajo fue fundamental para el desarrollo de la Termodinámica moderna y contribuyó al reconocimiento de la importancia de la entropía como una magnitud física fundamental en los procesos termodinámicos. La formulación de Clausius consolidó la idea de la irreversibilidad y del flujo unidireccional del calor desde una fuente caliente hacia una fría. La entropía se convirtió en una herramienta crucial para analizar y comprender los límites de la eficiencia en los procesos y sistemas termodinámicos.

Rudolf Clausius, junto con Sadi Carnot, Lord Kelvin, y otros científicos, sentó las bases para la comprensión profunda de los principios que rigen la transferencia de calor y la conversión de energía en diversas máquinas y procesos industriales. Su trabajo es considerado una piedra angular en la Teoría Termodinámica y ha tenido un impacto significativo en la ciencia y la tecnología moderna.

Clausius también formuló otra versión de la Segunda Ley en términos de los ciclos termodinámicos.

 "Estableció que es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, tome calor de una fuente y lo convierta completamente en trabajo útil, sin producir algún efecto secundario."

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Si T2 Fuente Caliente  y T1 Fuente Fría  no es posible el flujo de calor  de menor a mayor temperatura en forma natural.                                                                                                                                                                             Si T2 > T1  El calor solo fluye de mayor a menor temperatura en forma natural

Esta exigencia describe un refrigerador, que funciona cíclicamente, transfiriendo calor desde una fuente de baja temperatura a otra de mayor temperatura.

Enunciado de Sadi Carnot

Enunciado de Kelvin Planck

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Enunciado de Kelvin Planck

                    LORD KELVIN                                                                                MAX PLANCK

William Thomson, conocido como Lord Kelvin, y Ludwig Max Planck desarrollaron la formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica. Lord Kelvin es recordado por su asociación con el enunciado de Kelvin-Planck, que establece que 

"Es imposible que un dispositivo opere en un ciclo y produzca trabajo útil mientras opera en contacto térmico con una sola fuente a temperatura constante". 

En otras palabras, no es posible construir una máquina que tome calor de una sola fuente caliente y convierta completamente ese calor en trabajo mecánico, sin dejar residuos de calor.

La contribución de Kelvin al desarrollo de la Segunda Ley fue crucial para el reconocimiento de la irreversibilidad de los procesos termodinámicos y el establecimiento del concepto de eficiencia. El enunciado de Kelvin-Planck destaca la necesidad de una fuente fría para que una máquina térmica realice un ciclo y produzca trabajo útil. Esto implica que siempre habrá una pérdida de energía en forma de calor desechado al ambiente.

La formulación de Kelvin-Planck proporcionó una base sólida para el diseño y análisis de máquinas térmicas y ha tenido un impacto significativo en la ingeniería y tecnología moderna. Lord Kelvin también hizo importantes contribuciones al desarrollo de la escala absoluta de temperatura, que lleva su nombre, la escala Kelvin. Su trabajo en termodinámica y otros campos de la física lo convierte en uno de los científicos más influyentes del siglo XIX y su legado sigue siendo fundamental en el estudio de los principios de la energía y el calor.

Qs = W

Este enunciado exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca trabajo a partir de calor, requiere por lo menos dos fuentes de energía a diferentes temperaturas.

Enunciado de Sadi Carnot

Enunciado de Clausius

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