Tema 8. Mquinas frigorficas y bomba de calor

1. Mquina frigorfica

Mquina frigorfica es el dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar para hacerla inferior a la de su entorno.La mquina frigorfica toma una cantidad de calor Q2 de un foco frio denominado evaporador y cede una cantidad de calor Q1 a un foco caliente llamado condensador.Para que este proceso tenga lugar es necesario suministrar una cierta cantidad de energa W. La energa mecnica necesaria puede ser obtenida a partir de un motor elctrico o compresor.

La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorgeno, que en distintas partes de la mquina sufren transformaciones de presin, temperatura y fase (lquida o gaseosa); y que es puesto en contacto trmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras..Los fluidos frigorgenos son sustancias que cambian de estado por condensacin o evaporacin, a presiones y temperaturas determinadas.Evaporacin: paso de lquido a gaseoso (con suministro de calor).

Condensacin: paso de gaseoso a lquido (enfriando, sustrayendo calor)

Los fluidos frigorgenos no deben ser txicos, ni fcilmente inflamables.

RENDIMIENTO

FUNCIONAMIENTO

Las mquinas frigorficas ms extendidas son las de compresin y estn constituidas por cuatro elementos bsicos: compresor, condensador, sistema de expansin y evaporador.El evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presin del refrigerante para facilitar su condensacin y posibilitar la circulacin del fluido. En el condensador el fluido cambia de fase pasando de gas a lquido. La vlvula de expansin reduce posteriormente la presin provocando el enfriamiento del refrigerante.

Q2= QF

Q1 = QC

Est formado por dos transformacionesadiabticas y dos isbaras

1-2 : Compresor: comprime el fluido frigorgeno que le llega en estado de vapor, con lo que reduce su volumen y aumenta su presin y su temperatura. Y facilita la circulacin del fluido a lo largo del ciclo. Transformacin adiabtica

2-3 : Condensador: es un intercambiador de calor donde se licua el fluido frigorgeno por circulacin de aire o de agua. En este proceso se cede una cantidad de calor Q1 y el fluido disminuye su volumen, a presin constante. Transformacin isobrica.

3-4 : Sistema de expansin: el fluido lquido se expansiona disminuyendo su presin y aumentando su volumen. Este proceso supone una reduccin brusca de temperatura. Transformacin adiabtica

4-1 : Evaporador: es un intercambiador de calor donde el fluido entra a baja presin y temperatura. El evaporador absorbe calor del recinto donde est situado Q2 y transforma el fluido en vapor, y provoca enfriamiento de su entorno. Transformacin isobrica.

2.Bomba de calor

Es una mquina frigorfica capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un determinado espacio.La bomba de calor est destinada y proyectada para producir un efecto frigorfico en el evaporador y un efecto calorfico en el condensador.

Eficiencia.

Las bombas de calor reversibles pueden funcionar como dispositivos de calefaccin en invierno o como mquina frigorfica en verano.Llevan una vlvula inversora de ciclo que se encuentra a la salida del compresor y, segn la temperatura del medio a climatizar (medida en la presin de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante.

Q2 o Qf

Q1 o QC

Tanto el esquema como el ciclo termodinmico P-V, son iguales a los estudiados en mquinasFrigorficas.

El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su presin y aumenta su temperatura. Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ah cede calor al foco caliente Q1, por lo que el fluido se enfra y cambia a estado lquido. Despus, a la salida del condensador, se le hace atravesar por una vlvula de expansin, lo cual supone una brusca cada de presin. A esa presin, el fluido refrigerante empieza a evaporarse. Este efecto se aprovecha en el intercambiador de calor llamado evaporador y con ello absorbe calor del foco fro Q2. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrndose el ciclo.

EJERCICIOS

EJERCICIO 1a) Indique los elementos fundamentales de un sistema de refrigeracin empleando vapor.b) Describa lo que le ocurre al fluido refrigerante en cada uno de ellos.c) Indique una desviacin respecto al ciclo de Carnot reversible que ocurre en los sistemas reales de refrigeracinEjercicio 2El frigorfico de un restaurante tiene dos compartimentos aislados, con dos mquinas independientes: una para refrigeracin a 4 C y otra para congelacin a -25 C. Sabiendo que ambas mquinas funcionan de acuerdo al Ciclo de Carnot, y que la temperatura media del local donde se encuentra el frigorfico se mantiene en 25 C, calcule:a) La eficiencia de la mquina utilizada para refrigeracin.b) La eficiencia de la mquina utilizada para congelacin.

Ejercicio 3

Para mantener una habitacin a 22 C con una bomba de calor, es necesario suministrarle 2x105 kJ al da, cuando la temperatura exterior es de 10 C. Si el coeficiente de amplificacin calorfica delabombadecalores el90%delaideal,se pide:a)Calcularlapotenciaquenecesitalamquina.b) Calcular la potencia necesaria si la temperatura exterior baja a 5 C, manteniendoelmismoaportecalorfico.Tf=5C.c)Explicarelfuncionamientodeunabombadecalorreversible.Ejercicio 4

Una pequea nevera funciona segn un ciclo frigorfico de Carnot y enfra a una velocidad de 700 kJ/h. La temperatura de la nevera debe ser la apropiada para que no se descongelen los alimentos en su interior, aproximadamente -10 C. Suponiendo que la temperatura ambiente del recinto en el que se encuentra la nevera es de 28 C, determine: a) La eficiencia de la mquina frigorfica y la potencia que debe tener el motor para mantener esa temperatura . b) El calor cedido a la atmsfera. c) La potencia del motor si la eficiencia real fuese un 60 % del rendimiento del ciclo de Carnot