CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Refrigeradores y bombas de calor
Refrigeradores.
La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores; estos son dispositivos cíclicos cuyo fluido de trabajo se denomina refrigerante.
Coeficiente de operación. La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de operación (COP) , el objetivo de un refrigerador es quitar calor del espacio refrigerado para lograrlo requiere de una entrada de trabajo WN. De ese modo el COP de un refrigerador se expresa como:
Observe que COPR puede ser mayor que la unidad.
Bombas de calor.
Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a otro de alta es la bomba de calor. El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio caliente a alta temperatura, lo cual consigue al absorber calor de una fuente de baja temperatura, como el agua de un pozo, suministrándolo a un medio de alta temperatura como una casa. La medida del rendimiento de una bomba de calor se expresa también en términos del COP definido como: COP = QC/WN
El COP de una bomba de calor y de un refrigerador se relaciona mediante la siguiente ecuación COPBC = COPR + 1
La comparación de ambos se muestra en la figura:
Los acondicionadores de aire son básicamente refrigeradores cuyo espacio refrigerado es un cuarto o un edificio. Una unidad de acondicionamiento de aire tipo ventana, enfría un cuarto al absorber calor del aire que contiene y desechándolo en el exterior. El rendimiento de los refrigeradores y de los acondicionadores en los E.E.U.U. se expresa en términos del coeficiente de eficiencia energética (CEE) que es la cantidad de calor tomada de un espacio enfriada en BTU por diferencial de trabajo sobre entalpía de electricidad consumida. La relación entre el CEE y el COP es: CEE = 3.412 COP. También se expresa en toneladas (1 tonelada = 211 kJ/min.
Breves consideraciones sobre los refrigerantes.
En base al ciclo de compresión de vapor, el refrigerante es el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo cede al condensarse a alta temperatura y presión. Hay muchos fluidos refrigerantes fácilmente licuables, pero son relativamente pocos los que en realidad se utilizan.
Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers).
Los refrigerantes varían extremadamente en cuanto a su facultad para arder o soportar la combustión. En E.U. la organización National Refrigeration Safety Code (NRSC), cataloga a los refrigerantes en tres grupos de acuerdo a su grado de inflamabilidad o explosividad (se incluyen algunos ejemplos):
Grupo Uno - Los refrigerantes más seguros (R-12, R-22, R-134a, R-744).
Grupo Dos - Refrigerantes moderadamente inflamables (R-717).
Grupo Tres - Refrigerantes inflamables (R-290).
Los más difundidos hasta el presente han sido los del grupo 1, en donde han predominado los compuestos fluorocarbonados. Desde su comercialización en 1936 el refrigerante R-22 ha sido uno de los más utilizados en todo tipo de sistemas de regrigeración y climatización, en rangos de potencia que van desde 2 kW hasta 33 MW (0.5 a 9500 Ton). No obstante, ya en la ´decada de los 70 se sospechaba que estos compuestos perjudicaban la capa de ozono. De acuerdo al Protocolo de Montreal sobre las sustancias que destruyen la capa de ozono se decide defasar (ir eliminando gradualmente, “phaseout<2 en inglés), a la mayoría de los compuestos de este tipo y se buscan alternativas menos agresivas al medio ambiente. Como ejemplo para comparar en la tabla siguiente de muestran datos ambientales de algunos refrigerantes:
|
Refrigerante |
Tiempo de vida atmosférico (años) |
ODP |
GWP (100 años) |
|
R22 |
12.0 |
0.034 |
1780 |
|
R134a |
14.0 |
~ 0 |
1320 |
|
R290 (propano) |
Desconocido |
0.0 |
~ 20 |
|
R717 (amoníaco) |
Desconocido |
0.0 |
< 1 |
|
R744 (CO2) |
>50 |
0.0 |
1.0 |
De acuerdo al protocolo mencionado, los compuestos fluorocarbonados se reducen en un 85% para 1997 y en el 2010 se eliminan totalmente. La mayoría de las fabricas han firmado su cierre definitivo o se han reconvertido, quedando sólo algunas en la India, China y Argentina. Además quedan algunos productos en equipos en uso y en almacen (stock). Esto último hace que sus precios hayan aumentado mucho.
El ciclo de compresión de vapor.
El ciclo de refrigeración empleado con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
Además del diagrama T – S, el diagrama P – h también resulta adecuado para describir estos ciclos dado que en la válvula ocurre una expansión isoentálpica:
El refrigerador doméstico es un buen ejemplo de estos dispositivos:
La aplicación de los dos principios para el estado estacionario nos da (cursiva indica por unidad de tiempo):
Componente Proceso 1ra Ley
Compresor s = const. W= m(h2-h1)
Condensador P=const. QC=m(h2-h3)
Válvula de expansión Ds>0 h4 = h3
Wneto=0
Qneto=0
Evaporador P=const. QF = m(h1-h4)
Para el ciclo se obtiene:
Donde:
COPR – Coeficiente de operación de refrigeración;
COPBC – Coeficiente de operación como bomba de calor.