Читать книгу Eficiencia energética en las instalaciones de climatización en los edificios. ENAC0108 - Antonio Jesús Mendoza Ramírez - Страница 11

A continuación se analizarán brevemente los ciclos termodinámicos usados en refrigeración.

Ciclo de Carnot inverso

El ciclo de Carnot para refrigeración es el ciclo más básico. Para realizar este ciclo se utiliza un fluido compresible, el cual cambiará de estado. Las diferentes etapas de este ciclo se representan en la siguiente figura:

Siendo:

1 Tc: temperatura del foco caliente.

2 Tf: temperatura del foco frío.

3 Qc: calor cedido al foco caliente.

4 Qf: calor cedido al foco frío.

5 Wc: trabajo aportado al compresor.

6 Wt: trabajo cedido por la turbina.

Analizando el ciclo, se distinguen los siguientes procesos:

1 1-2: Expansión isotérmica: el fluido entra al evaporador en estado líquido y se pasa a vapor casi en su totalidad, absorbiendo una cantidad de calor Qf del recinto a refrigerar, es decir, del foco frío. Todo el proceso ocurre a temperatura constante Tf.

2 2-3: Compresión adiabática: el fluido aumenta su presión y temperatura, llegando a la temperatura del foco caliente Tc. Durante esta compresión, el fluido pasa totalmente a vapor. Para elevar la presión del fluido es necesario aportar trabajo al sistema; sin embargo, durante este proceso no se produce intercambio de calor.

3 3-4: Compresión isotérmica: el fluido entra en el condensador en estado gaseoso, pasando a estado líquido y cediendo una cantidad de calor Qc al foco caliente. Durante este proceso no varían ni la presión ni la temperatura.

4 4-1: Expansión adiabática: el fluido en estado líquido se expande en la turbina, disminuyendo su presión y su temperatura hasta la temperatura Tf del foco frío. Como resultado de esta expansión, una pequeña parte del fluido se vaporiza. Durante el proceso, el sistema cede trabajo a través de la turbina, no habiendo intercambio de calor.

El ciclo de Carnot es un ciclo ideal y reversible. Es imposible reproducirlo en la práctica debido, entre otras cosas, a los rendimientos internos del compresor y la turbina. Su utilidad radica en que es el ciclo de mayor eficiencia energética, ya que requiere el mínimo trabajo en el compresor y su eficiencia solo depende de la diferencia de temperatura entre los focos. Es por esto que se utiliza para comparar el rendimiento de los distintos ciclos.

Importante

El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, es decir, teórico. La eficiencia energética del ciclo de Carnot es la máxima que se puede conseguir. Ningún otro ciclo representa una eficiencia mayor al ciclo de Carnot.

Actividades

3. ¿Por qué al ciclo de Carnot para refrigeración se le denomina “ciclo inverso” y “ciclo reversible”?

Ciclo de refrigeración por compresión

En la práctica, los ciclos que utilizan fluidos compresibles difieren en varios aspectos del ciclo ideal de Carnot. Las diferentes etapas de estos ciclos se representan en la siguiente figura:

Siendo:

1 Tc: temperatura del foco caliente.

2 Tf: temperatura del foco frío.

3 Qc: calor cedido al foco caliente.

4 Qf: calor cedido al foco frío.

5 Wc: trabajo aportado al compresor.

Describiendo la figura, se distinguen los siguientes procesos:

1 1-2: Compresión adiabática: el fluido llega al compresor en estado vapor saturado, a diferencia del ciclo de Carnot, en el que el fluido llegaba al compresor parte líquido parte vapor. Gracias al trabajo aplicado al compresor, se eleva la presión del sistema sin intercambio de calor. A la vez se aumenta la temperatura por encima de la temperatura del foco caliente Tc, hecho que no ocurría en el ciclo de Carnot.

2 2-3: Condensación isobárica: el fluido llega al condensador como vapor saturado, donde primero ha de enfriarse hasta la temperatura del foco caliente, y luego cambia de estado vapor a líquido, cediendo la cantidad de calor Qc al foco caliente. Durante este proceso la presión se mantiene constante.

3 3-4: Expansión isoentálpica: el fluido en forma líquida llega a la válvula de expansión, donde disminuye su presión y su temperatura hasta la temperatura del foco frío Ta. Durante este proceso, parte del fluido cambia a estado gaseoso. A diferencia del ciclo de Carnot, se ha sustituido la turbina por una válvula de expansión, ya que el trabajo obtenido por una turbina es mucho menor que el necesario en el compresor, siendo más económico instalar dicha válvula, aunque no se aproveche el trabajo.

4 4-1: Evaporación isobárica: el fluido entra en el evaporador parcialmente evaporado, procurando que la mayor parte sea líquido. De esta forma se asegura que el fluido tome la mayor cantidad posible de calor Qa del foco frío. Este proceso se produce a temperatura y presión constantes.

Aplicación práctica

Los equipos de aire acondicionado más simples están formados por una unidad exterior y una o varias unidades interiores. Estos equipos trabajan según el ciclo de refrigeración por compresión. En este tipo de equipos, ¿qué elementos irán en el interior y en el exterior?

SOLUCIÓN

Generalmente, la unidad exterior incluye el compresor, el condensador y la válvula de expansión. El evaporador se encontrará en la unidad interior.

Ciclo de Joule-Brayton

A diferencia del ciclo de Carnot, en este ciclo el fluido caloportador utilizado es aire. Las diferentes etapas del ciclo teórico se describen en la siguiente figura:

Siendo:

1 Tc: temperatura del foco caliente.

2 Tf: temperatura del foco frío.

3 Qc: calor cedido al foco caliente.

4 Qf: calor cedido al foco frío.

5 Wc: trabajo aportado al compresor.

Analizando la figura, se pueden distinguir los siguientes procesos termodinámicos:

1 1-2: Compresión adiabática: el aire se comprime mediante un compresor, debiendo aportar energía externa al sistema para el funcionamiento de este. Esta compresión es un proceso isoentrópico en el que el aire se calienta.

2 2-3: Enfriamiento isobárico: en este proceso el aire se enfría, cediendo calor al foco caliente. La presión del aire permanecerá constante.

3 3-4: Expansión adiabática: el aire proveniente del cambiador de calor se expande, ya sea en una máquina de pistón o en una turbina. El trabajo realizado en dicha máquina puede ser aprovechado. Este proceso se realiza sin intercambio de calor.

4 4-1: Calentamiento isobárico: el aire a baja temperatura absorbe calor del foco frío. Dicho proceso se realiza a presión constante.

El ciclo descrito es un ciclo ideal, ya que en la práctica el trabajo necesario para la compresión es mayor y el trabajo obtenido en la expansión es menor. Esto es debido a los rendimientos internos tanto del compresor como de la turbina o la máquina de pistón.

Recuerde

El ciclo de refrigeración por compresión utiliza un fluido compresible y el ciclo de Joule-Brayton utiliza aire.

Otros ciclos de refrigeración

Existen otros muchos ciclos de refrigeración, la mayoría basados en el ciclo de compresión de vapor, salvo sustituyendo algunos de sus procesos por otros de efectos similares. Es el caso, por ejemplo, del ciclo de absorción. Este ciclo aprovecha las propiedades de algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, como el agua, en estado vapor. Otra de las posibilidades es usar el agua como sustancia absorbente y amoníaco como sustancia absorbida. En este ciclo se sustituye la compresión mecánica por una absorción del vapor en líquido.

Siendo:

1 Tc: temperatura del foco caliente.

2 Tf: temperatura del foco frío.

3 Qc: calor cedido al foco caliente.

4 Qf: calor cedido al foco frío.

Nota

Existen numerosos ciclos de refrigeración, además de los expuestos. Algunos de ellos realizan los mismos procesos de los ciclos básicos, pero en varias etapas. Ejemplo de esto son los sistemas con compresión múltiple, en los que la compresión consta de dos o más etapas.

Actividades

4. Buscar en el entorno equipos de refrigeración (aire acondicionado, frigorífico, etc.) e intentar deducir su ciclo termodinámico.

5. ¿Sería posible el uso de placas solares para calentar el agua necesaria para el ciclo de absorción? Investigar sobre esta aplicación solar.