Universidad Nacional Mayor de San MarcIngeniería Agroindustrial 1. Generalidades Ing. Oscar Crisóstomo Gordillo
[email protected] Refrigeración y Congelado 1.1 Métodos de Producción de Frío ‒ Hielo. ‒ Fusión ‒ Sublimación ‒ Mezclas eutécticas. ‒ CO2 solidificado a) Cambios de estado ‒ Por medio directo ‒ N2 líquido. ‒ CO2 líquido. ‒ Vaporización ‒ Máquina de compresión. ‒ Máquina de absorción. ‒ Por medio indirecto ‒ Máquina de adsorción. ‒ Máquina de eyección. ‒ Con producción de trabajo exterior (Máquina de aire). b) Por expansión ‒ Sin producción de trabajo exterior (Efecto Joule-Thompson). ‒ Refrigeración termoeléctrica (Efecto Peltier). ‒ Refrigeración magneto-eléctrico (Efecto Haas-Keenson). c) Efectos especiales ‒ Refrigeración magneto-térmico-eléctrico (Efecto Ettings-Hausen). ‒ Refrigeración por torbellino (Efecto Ranke-Hilsch). ‒ Efectos especiales ‒ Refrigeración magneto-térmico-eléctrico (Efecto Ettings-Hausen). . ‒ Fusión a) Sistemas Discontinuos ‒ Sublimación ‒ Mezclas eutécticas. ‒ Refrigeración magneto-eléctrico (Efecto Haas-Keenson). b) Sistemas Continuos ‒ Expansión ‒ Con producción de trabajo exterior (Máquina de aire). ‒ Máquina de compresión.‒ Hielo. ‒ Máquina de absorción. ‒ Vaporización ‒ CO2 líquido. ‒ Refrigeración termoeléctrica (Efecto Peltier). ‒ Máquina de eyección. ‒ CO2 solidificado ‒ N2 líquido. ‒ Refrigeración por torbellino (Efecto Ranke-Hilsch). ‒ Sin producción de trabajo exterior (Efecto Joule-Thompson). ‒ Vaporización ‒ Máquina de adsorción. Fusión de Hielo • Se basa en la propiedad que tienen los cuerpos de absorber calor para pasar de estado sólido a líquido. tal como el hielo o las soluciones eutécticas. • Cada unidad de masa absorbe una cantidad de calor constante e igual a su calor latente de fusión. • Se eligen sustancias o mezclas de sustancias que posean baja temperatura de fusión. • El hielo a 0°C al licuarse a agua absorbe . cuyos componentes son insolubles en estado sólido. beneficiándose del calor absorbido en su fusión y del bajo punto de fusión. • Una de las ventajas del uso de mezclas eutécticas es que éstas pueden volverse a congelar y ser nuevamente utilizadas. • Las mezclas eutécticas conseguidas con determinadas soluciones se congelan para poder utilizarlas. • Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado líquido. inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro.Fusión de mezclas eutécticas o refrigerantes • Eutéctico es una mezcla de dos componentes con punto de fusión o punto de licuefacción mínimo. . 16 .49 Ácido nítrico (N/10) 1 - .34 Ácido nítrico (N/10) Nieve 2 3 .Mezclas Refrigerantes Componentes Proporción en Peso Enfriamiento producido (°C) Desde Hasta Ácido clorhídrico Nieve 5 3 0 .48 Ácido nítrico (N/10) Ácido sulfúrico (N/10) Nieve 3 3 7 .23 .40 Ácido nítrico (N/10) Ácido sulfúrico (N/10) Nieve 1 1 2 22 .32 Ácido nítrico (N/10) Nieve 4 7 0 . Mezclas Refrigerantes Componentes Proporción en Peso Enfriamiento producido (°C) Desde Hasta Ácido sulfúrico (N/10) Nieve 1 1 - 30 - 51 Agua Nitrato amónico 1 1 + 10 - 16 Agua Nitrato amónico 1,3 1 + 16 - 17,5 Cloruro cálcico Nieve 5 4 0 - 40 Cloruro cálcico Nieve 2 1 - 18 - 54 Cloruro cálcico Nieve 1 2 0 - 20 Cloruro cálcico Nieve 5 12 - 10 - 32 Cloruro cálcico Nieve 1 1 -2 - 18 Soluciones Eutécticas Concentración en peso (%) Temperatura de Congelación (°C) Calor de Fusión (Kcal/Kg) Cloruro amónico 18,7 - 15,8 73,8 Cloruro cálcico 29,9 - 55,0 50,8 Cloruro magnésico 20,6 - 33,6 - Cloruro potásico 19,7 - 11,1 71,9 Cloruro sódico 22,4 - 21,2 56,4 Carbonato sódico 35,5 - 37,1 - Hidróxido potásico 31,5 - 65,0 - Nitrato sódico 36,9 - 18,5 57,5 Sulfato de magnesio 19,0 - 3,9 58,2 Sulfato de zinc 27,2 - 6,5 50,9 Sal Sublimación • Se produce de manera espontánea a condiciones ambientales normales para que una unidad de cuerpo pase directamente del estado sólido al de vapor (calor latente de sublimación). • El anhídrido carbónico, conocido también como hielo seco o nieve carbónica se mantiene en ese estado a la presión atmosférica si la temperatura es de – 78,5°C. • El calor latente de sublimación del CO2 es de 138 Kcal/Kg y el calor sensible del vapor de agua es de 0,2 Kcal/Kg °C. • El principal inconveniente del nitrógeno líquido es su alto costo.Vaporización Directa • Un líquido con muy bajo punto de ebullición a presión atmosférica es evaporado de tal manera que permite aprovechar su calor latente de vaporización. • Generalmente se emplea el nitrógeno líquido.6 Kcal/Kg. . • Se utilizan gases no tóxicos. cuya presencia sea normal en la atmósfera. siendo posteriormente el gas producido eliminado a la atmósfera. Su temperatura de ebullición es de – 196°C y su calor latente de evaporación de 47. Su temperatura de ebullición es de – 196°C y su calor latente de evaporación de 47. • El principal inconveniente del nitrógeno líquido es su alto costo. los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. cuya presencia sea normal en la atmósfera. • Se utilizan gases no tóxicos. Dando como resultado el ciclo invertido de Carnot. .Ciclo Invertido de Carnot • El ciclo reversible más eficiente es el ciclo de Carnot y puesto que es un ciclo reversible. • Generalmente se emplea el nitrógeno líquido. Por lo que se invertirán las direcciones de los procesos de transferencia de calor y trabajo.6 Kcal/Kg. Ciclo Invertido de Carnot . Bombear calor del exterior al interior en invierno. hasta que sus temperaturas se igualen. según se requiera. y no al revés. según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío.Bomba de Calor • Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía mediante calor de un ambiente a otro. . Para lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica. Bomba de Calor . Bomba de Calor . Bomba de Calor . Bomba de Calor . Bomba de Calor . Bomba de Calor . Bomba de Calor . Clases .Bomba de Calor . C. .S.Bomba de Calor – Aplicaciones Sector Residencial • Climatización de viviendas • A. Bomba de Calor – Aplicaciones Sector Terciario • Climatización de locales • Climatización de piscinas . . • Agua caliente • Secaderos • Destilación • Invernaderos • Piscifactorías • Fermentación pan • Etc.C.S.Bomba de Calor .Aplicaciones Sector Industrial • Climatización de locales industriales • A. esencialmente. un evaporador. cediendo a un medio más frío que envuelve al condensador tanto el calor latente de vaporización absorbido en el evaporador como el calor sensible de recalentamiento. un condensador. Los vapores así formados son aspirados por el compresor y después comprimidos. • En el evaporador. tomando calor del medio que lo envuelve y enfriando dicho medio.Sistema de Refrigeración por Compresión Simple • Un ciclo de compresión mecánica simple consta. una válvula de regulación o de expansión y las tuberías de unión de todos estos elementos para conseguir un circuito cerrado. de un compresor. proporcionado por el . el fluido de trabajo (refrigerante) se vaporiza. descargándolos al condensador en forma de vapor recalentado. Sistema de Refrigeración por Compresión Simple . Sistema de Refrigeración por Compresión Simple . Sistema de Refrigeración por Compresión Simple . Deben presentar igualmente puntos de ebullición diferentes. Un ciclo de absorción simple. consta esencialmente de un absorbedor y de un hervidor o generador que sustituyen en sus funciones al compresor de una instalación mecánica.Sistema de Refrigeración por Absorción Se basan en la solubilidad de un gas en una solución a baja temperatura y en la propiedad de estas soluciones de restituir el gas cuando aumentan su temperatura. El líquido absorbente debe tener una gran avidez por el vapor refrigerante. en circuito cerrado. . En el generador-columna de destilación existe una mezcla líquida formada por un líquido absorbente y un vapor refrigerante disuelto en él. La absorción va acompañada de un desprendimiento de calor. Apenas tienen partes móviles. La tensión de vapor del refrigerante se ve alterada . como residuo se ha de extraer calor a media T (absorbedor y condensador).Sistema de Refrigeración por Absorción El ciclo necesita calor a T (generador). • El H2O es el refrigerante. Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. entre 5 y 10°C). no genera vibraciones ni ruidos. Las mezclas más utilizadas son: NH3H2O y LiBr-H2O. Su coste de operación es bajo si el calor es residual. y tiene mantenimiento reducido. y el LiBr el absorbente (Tevap > 0°C. • El NH3 es el refrigerante y el H2O el absorbente. para obtener efecto refrigerante a ↓T (evaporador). Sistema de Refrigeración por Absorción . Sistema de Refrigeración por Absorción Sistemas Tritérmicos: Interacción con el Exterior . Sistema de Refrigeración por Absorción Sistemas Tritérmicos: Subdivisión en Máquinas Ditérmicas . Sistema de Refrigeración por Absorción Sistemas Tritérmicos: Subdivisión en Máquinas Ditérmicas . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple Sistema por Absorción de Efecto Simple Absorbedor: Sistema por Absorción de Efecto Simple Condensador: Sistema por Absorción de Efecto Simple Expansor: . Sistema por Absorción de Efecto Simple Evaporador: . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple . Sistema por Absorción de Efecto Simple Temperatura en Generador: . Sistema por Absorción de Efecto Simple Temperatura en Condensador: . Sistema por Absorción de Efecto Simple Temperatura en Absorbedor: . Sistema por Absorción de Efecto Simple Temperatura en Evaporador: . Sistema por Absorción de Efecto Simple Eficiencia en el Intercambiador: . Sistema de Refrigeración por Absorción . Sistema de Refrigeración por Absorción Las máquinas suelen tener dos partes: • el generador y el condensador. • el evaporador y el absorbedor. . Sistema de Refrigeración por Absorción El suministro térmico en los arranques debe ser mayor que en régimen. requiere en el generador T° de 100°C. . Sistema bromuro de litio-agua (BrLi-H2O). La capacidad se controla con la concentración el absorbedor: • Estrangulando la alimentación de calor en el generador. • Disminuyendo la refrigeración del condensador. • Bypasando la solución con una válvula de tres vías en el hervidor (las dos conexiones con el absorbedor). • Regulando el caudal que le llega al hervidor. Sistema de Refrigeración por Absorción Sistema amoniaco-agua (NH3-H2O). • Necesita un rectificador entre el generador y el condensador ya que con el amoniaco se evapora agua. • El NH3 es tóxico y además ataca el cobre. requiere en el generador de 120-150°C. . • Las máquinas y tuberías tienen que ser de acero e inoxidable. Sistema de Refrigeración por Absorción . Máquina de Aire Frío En las máquinas de aire frío se utiliza la propiedad que tienen los gases comprimidos. En las instalaciones de compresión se utiliza el calor latente de vaporización cuyo valor es elevado. de producir una disminución importante de la temperatura. Se componen esencialmente de un compresor para comprimir el aire. En el caso de las máquinas de aire. de un enfriador por circulación o pulverización de agua y de un evaporador situado en el local a refrigerar. que es pequeño (0. que se calienta al mismo tiempo. Debido a esto. Existe una cierta analogía mecánica entre estas instalaciones y las que utilizan refrigerantes. se utiliza el calor específico del aire. cuando se les expande tras haber sido enfriados. es necesario hacer circular grandes masas de aire y utilizar máquinas enormes. .3 Kcal/m 3 0°C). Máquina de Aire Frío . Máquina de Aire Frío Un sistema de enfriamiento de ciclo abierto de un avión . Máquina de Aire Frío Ciclo de refrigeración de gas con regeneración . la cual intercambia calor sensible con la corriente primaria. aumentando la humedad. La clasificación de los sistemas evaporativos : • Directos: el agua se evapora en la corriente de aire que se desea enfriar. que de este modo no recibe ninguna humedad. el aire no saturado es enfriado por la exposición al agua más fría en condiciones de aislamiento térmico. • Indirectos: la evaporación se efectúa en una corriente secundaria de aire. a entalpía constante. .Refrigeración Evaporativa Es un proceso de transferencia de calor y masa basado en la conversión del calor sensible en latente. llegando a la saturación adiabática. • Mixtos: mezcla de los dos anteriores. Refrigeración Evaporativa . Refrigeración Evaporativa . Refrigeración Evaporativa . • La figura representa una instalación simple de enfriamiento termoeléctrico la cual consta de: metal de contacto con la fuente fría. se produce un enfriamiento en las soldaduras de la . semiconductor N. soldaduras. Si este circuito es recorrido por una corriente eléctrica en el sentido correspondiente a la polaridad de la fuente. metal de contacto con la fuente caliente.Efecto Termoeléctrico • Se denomina también efecto Peltier. fuente de corriente continua. El efecto termoeléctrico se produce en el punto de unión de dos metales distintos que forman un circuito por el que circula una corriente eléctrica. semiconductor P. semiconductor positivo con deficiencia de electrones. semiconductor negativo con exceso de electrones. Efecto Termoeléctrico . Las soldaduras deben tener poca resistencia al paso de la corriente.Efecto Termoeléctrico • En la fabricación de los semiconductores P y N se utilizan normalmente elementos de elevado peso atómico (telurio de bismuto y telurio de plomo). las pérdidas por efecto Joule. que se . en instalaciones pequeñas la diferencia no es notable. Normalmente se utilizan varios módulos conectados en serie. • Presenta las ventajas de su simplicidad y ausencia de elementos móviles. • Presenta algunos inconvenientes de importancia. como son. y aunque el efecto frigorífico de estas instalaciones sea más bajo que el de las de compresión mecánica. y de helio líquido. Se elimina seguidamente el fluido térmico mediante bombeo y se hace el vacío en el lugar que ocupaba. Al retirar el imán la sal paramagnética se desimanta bruscamente y su temperatura desciende hasta los 0. El procedimiento es el siguiente: se sitúa una sal paramagnética (compuesto capaz de ser atraído por un imán) entre los polos de un electroimán.003 K o incluso a temperaturas inferiores . Mediante este método se han conseguido en el laboratorio temperaturas próximas al cero absoluto.Efecto Magneto Térmico Consiste básicamente en refrigerar mediante la desimantación de una sal paramagnética. rodeado de un fluido que asegure el contacto térmico. Efecto Magneto Térmico . se establece. en el conductor. Una de las caras del conductor absorbe calor y la otra lo desprende.Efecto Magneto Térmico Eléctrico Cuando un conductor recorrido por una corriente continua de intensidad ''I'' se coloca en un campo de inducción magnética cuya dirección es normal a la corriente. . un gradiente de temperaturas según la normal común a las direcciones de la corriente y del campo. El rendimiento es muy bajo. Por el contrario en la periferia se produce una sobre presión del aire y por lo tanto. de forma tangente y a velocidad sónica. un calentamiento de éste. . Igualmente puede conseguirse aire caliente.Efecto Torbellino Al introducir aire comprimido en el interior de un cilindro. se crea en el interior de la cámara un movimiento circular ciclónico. con el consiguiente enfriamiento del mismo. Este movimiento origina una depresión en la zona cercana al eje del cilindro y como consecuencia una expansión del aire en esta zona. El aprovechamiento de refrigeración se realiza extrayendo el aire cercano al eje central y conduciéndolo al recinto a refrigerar. 1.2 Compresión de Gases y Vapores . con espacio muerto nulo y con un gas perfecto . sin pérdidas.Compresión Ideal Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal. Compresión Ideal Diagrama de un compresor alternativo ideal . Proceso de Compresión . Coeficiente de Espacio Muerto . Coeficiente de Espacio Muerto . Coeficiente de Espacio Muerto . Eficiencia Volumétrica 4 3 1 2 Volumen aspirado Espacio Muerto Desplazamiento . . cuyo gráfico es realizado por un dispositivo denominado Indicador de diagrama. estando en funcionamiento el compresor real.Potencia Indicada Se obtiene del diagrama p-V. Potencia al Eje La Potencia Entregada al eje es mayor a la que se tiene que entregar al compresor y a la suma de las pérdidas mecánicas. . Eficiencia Mecánica . Régimen de Funcionamiento de un Compresor P Ps 2t 2p 2s Isentrópico (n = k) Politrópico (1 < n < k) W Pi Isotérmico (n = 1) 1 V . Régimen de Funcionamiento de un Compresor T Ps Pi 2s Isentrópico (n = k) Politrópico (1 < n < k) 2t 1 Isotérmico (n = 1) Q S . Régimen de Funcionamiento de un Compresor P Ps 2t 2p 2s Isentrópico (n = k) Politrópico (1 < n < k) Isotérmico (n = 1) Pi 1 h . Régimen de Funcionamiento de un Compresor . Régimen de Funcionamiento de un Compresor . Régimen de Funcionamiento de un Compresor . Compresión en Etapas . Compresión en Etapas 2 c P2 PV Donde: RC = compresión n = Pmáx = gas Pmín = gas. n Relación de Numero de etapas Presión máxima del a b Pr PV P1 1 Presión mínima del x VD VM VD n . Compresión en Etapas Potencia Mínima de Compresión para cualquier etapa: .