6 Produccion de frio RC.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
Refrigeración y Congelación
PRODUCCIÓN DE FRÍO
PRODUCCIÓN DE FRÍO Y REFRIGERACIÓN DE ETAPA SIMPLE
6.1 MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE FRIO
La producción de frio es para mantener un foco frio a una determinada temperatura y que esta sea baja,
para ello se tiene que eliminar continuamente el calor transmitido a este foco frio desde otros focos a la
temperatura.
Medios químicos. Se basan en la propiedad que tienen ciertas sales disolventes en determinados líquidos
con absorción de calor del medio que lo rodea, por lo tanto la solución producirá frio.
La mezcla recibe el nombre de “mezclas frigoríficas” o “mezclas crioscópicas”. Se caracterizan por ser
endotérmicos.
Tabla 6.1. Mezclas frigoríficas y temperatura de enfriamiento
1
Componentes Proporción en peso Enfriamiento en (oC)
Ácido clorhídrico(HCl)/ nieve
Ácido nítrico HNO3 / nieve
Cloruro de sodio NaCl/ nieve
5/3
4/7
1/2
0 a -32
0 a -32
0 a -20

Medios físicos
b.1. Cambios de estado
Fusión (hielo, mezclas eutécticas) ejm hielo para producir aire frio
Sublimación (CO2 solidificado)
Vaporización
Por medio directo (N2 líquido, CO2 liquido)
Por medio indirecto (máquinas de compresión, absorción, adsorción y eyección de vapor)
b.2. Por expansión
Con producción de trabajo exterior (máquinas de aire)
Sin producción de trabajo exterior (Efecto Joule- Thompson)
Sistemas discontinuos
Fusión del hielo
Fusión de mezclas refrigeradas. En el caso de una mezcla de sal y agua, su punto de congelación sea inferior a 0 oC.
Sublimación. Se usa anhídrido carbónico sólido, conocido como nieve carbónico o hielo seco.
Vaporización directa. Generalmente se emplea el nitrógeno líquido, la temperatura de vaporización de nitrógeno
líquido a la presión atmosférica es de -196oC, siendo su calor latente de vaporización a esta temperatura es de
47.6kcal/kg.
2

6.2 LOS REFRIGERANTES
Tabla 6.2. Clasificación de los gases refrigerantes por grupos de seguridad.
3
Tipo Número Nombre químico Fórmula Punto
Ebullición (oC)
Refrigerantes de
alta seguridad
R-11
R-12
R-13
R-13B1
R-14
R-21
R-22
R-113
R-114
R-115
R-C318
R-500
R-502
R-744
R-23
R-123
R-124
R-125
R-134a
Triclorofluormetano
Diclorodifluormetano
Clorotrifluormetano
Bromotrifluormetano.
Tetrafluoruro de carbono
Diclorofluormetano
Clorodifluormetano
1,1,2-Triclorotrifluoretano
1,2-Diclorotetrafruoretano
Cloropentafluoretano
Octofluorciclobutano
R-12 (73,8%) + R-152a (26,2%)
R-22 (48,8%) + R-115 (51,2%)
Anhídrido carbónico
Trifluormetano
2,2-dicloro-1,1,1-trifluoretano
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
Pentafluoretano
1,1,1,2-Tetrafluoretano
CCl3F
CCl2F2
CClF3
CBrF3
CF4
CHCl2F
CHClF2
CCl2FCClF2
CClF2CClF2
CClF2CF2
C4F8
CCl2F2/CH3CHF2
CHClF2/CClF2CF3
CO2
CHF3
CHCl2-CF3
CHClF-CF3
CHF2-CF3
CH2F-CF3
23,8
-29,8
-81,5
-58
-128
8,92
-40,8
47,7
3,5
-38,7
-5,9
-28
-45,6
-78,5
-82,15
27,96
-12,05
-48,41
-26,14
Refrigerantes de
media seguridad
R-30
R-40
R-160
R-611
R-717
R-764
R-1130
Cloruro de metileno
Cloruro de metilo
Cloruro de etilo
Formiato de metilo
Amoníaco
Anhídrido sulfuroso
1,2-Dicloroetileno
CH2Cl2
CH2Cl
CH3CH2Cl
HCOOCH2
NH3
SO2
CHCl = CHCl
40,1
-24
12,5
31,2
-33
-10
48,5
Refrigerantes de
baja seguridad
R-170
R-290
R-600
R-600a
R-1150
Etano
Propano
Butano
Isobutano
Etileno
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
CH(CH3)3
CH2 = CH2
-88,6
-42,8
0,5
-10,2
-103,7

6.3 SELECCIÓN DE UN REFRIGERANTE
La siguiente es una lista de características importantes que se consideran:
1. Calor latente de vaporización. Un alto calor latente de vaporización es preferido. Para una capacidad dada, un
valor alto de calor latente indica que una menor cantidad de refrigerante se distribuirá por unidad de tiempo.
2. Presión de condensación. Excesivamente alta presión de condensación requiere un considerable gasto en
construcción pesada del condensador y la tubería.
3. Temperatura de congelación. Debería estar por debajo de la temperatura del evaporador.
4. Temperatura crítica. El refrigerante debe tener lo suficientemente alta temperatura crítica. A temperaturas por
encima de la temperatura crítica, el vapor del refrigerante no puede ser licuado. En particular, en el caso de
condensadores refrigerados por aire, la temperatura crítica debe estar por encima de máxima temperatura ambiente.
5. Toxicidad. En muchas aplicaciones, incluyendo aire acondicionado el refrigerante debe ser no tóxico.
6. Inflamabilidad. El refrigerante debe ser no es inﬂamable.
7. Corrosividad. El refrigerante no debe ser corrosivo a los materiales utilizados en la construcción del sistema de
refrigeración.
8. Estabilidad química. El refrigerante debe ser químicamente estable.
9. Detección de fugas. Si se produce una fuga en el sistema de refrigeración, la detección de la fuga debe ser fácil.
10. Costo. Refrigerante de bajo costo es la preferida en aplicaciones industriales.
11. Impacto ambiental. El refrigerante liberado de los sistemas de refrigeración debido a fugas no debe causar daños
al medio ambiente.
4

6.4 REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA
En la actualidad el frío se produce mediante sistemas de refrigeración por compresión mecánica, de forma que el calor
se transmite desde la cámara de refrigeración hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente.
6.5 EL CICLO DE REFRIGERACIÓN
La Figura, muestra un diagrama esquemático de un sistema de refrigeración mecánica. El corazón del sistema es el
compresor.
5

Un sistema de refrigeración también puede ser utilizada para la calefacción. Un sistema que alterna calefacción y refrigeración deber se llama
una bomba de calor.
6

6.6 GRÁFICOS DE ENTALPÍA Y PRESIÓN
7

6.7 REFRIGERACIÓN MECÁNICA
Equipos y elementos usados en un ciclo de refrigeración mecánica
Evaporadores. Son intercambiadores donde la sustancia que se desea enfriar entrega calor
al refrigerante. Pueden ser del tipo inundado cuando se encuentran completamente llenos
del líquido refrigerante, que se va mezclando con su propio vapor a medida que hierve por
efecto del calor que retira
Compresores. Los más usados son los alternativos o de pistón, los centrífugos y los de
tornillo, siendo el primero de ellos muy común en instalaciones pequeñas por su
simplicidad. En instalaciones industriales de alguna magnitud se usan más los centrífugos y
de tornillo
Sistemas de expansión. Este elemento reduce la presión del refrigerante y regula su flujo al
evaporador. Los principales son: el tubo capilar, la válvula termostática y la válvula de
flotador. El primero se usa ampliamente en las neveras domésticas o sistemas de pequeña
capacidad; las válvulas de flotador mantienen el nivel en los sistemas inundados y la
termostática es más usada cuando se necesita expansión directa en el evaporador.
Condensadores. Enfrían el gas caliente procedente del compresor hasta que alcance la
temperatura de licuefacción. Normalmente son intercambiadores de calor enfriados por aire
y/o agua.
8

Cartas de presión y entalpía de los refrigerantes. Cada casa proveedora de fluido refrigerante suministra la información necesaria
para el diseño de sistemas de refrigeración en un diagrama Presión - Entalpía de su producto. En la figura se presenta en forma
esquemática un diagrama de ese tipo. Las líneas horizontales de la gráfica son de presión constante (isobaras) y las verticales son
entonces de entalpía constante (isoentálpicas)
9

Los cálculos energéticos según esta gráfica son así:
Coeficiente de rendimiento
El coeficiente de rendimiento (C. O. P.) se define como una relación entre el calor absorbido por el refrigerante
que circula a través del evaporador al calor equivalencia de la energía suministrada en el compresor.
Eficiencia o coeficiente de rendimiento:
e = COP =
Qe
W
=
h1 − h4
h2 − h1
(6.1)
10

Compresor. El trabajo realizado en el refrigerante durante la etapa de compresión isoentrópico puede calcularse
a partir de la entalpía del fluido refrigerante y del caudal de refrigerante.
Energía o trabajo que hace el compresor:
W = ሶ
m h2 − h1 (6.3)
ሶ
m es la masa es el refrigerante caudal (kg/s), h2 es entalpía de refrigerador al final de la carrera de
compresión (kJ/kg), h1 es la entalpía de fluido en el comienzo de la carrera de compresión (kJ/kg), y W es el ritmo
de trabajo realizado sobre el refrigerante (kW)
Condensador. En el condensador, el fluido se enfría a presión constante. El calor rechazado en el medio
ambiente puede ser expresada como
Calor retirado al refrigerante en el condensador:
Qc = ሶ
m h2 − h3 (6.4)
Donde Qc es de intercambio de calor en el condensador (kW) y h3 es entalpía de refrigerante en la salida del
condensador (kJ/kg).
Evaporador. En el evaporador, el refrigerante pasa de líquido a vapor y acepta el calor del entorno con una
presión constante. La entalpía del fluido diferencia entre la entrada y la salida de un evaporador se llama
la refrigeración. La tasa de calor aceptados por el fluido refrigerante, ya que se somete a proceso de evaporación
en el evaporador está dada por
Qe = ሶ
m h1 − h4 (6.5)
Donde Qe es la cantidad de calor intercambiado en el evaporador (kW), y la refrigeración es h1 – h4
11

CONDENSACIÓN CON SUBENFRIAMIENTO DEL LÍQUIDO Y RECALENTAMIENTO DE VAPOR
Cuando el líquido refrigerante es subenfriado antes que llegue a la válvula de expansión, se aumenta el
efecto refrigerante. Efecto refrigerante es mayor, el recalentamiento del vapor dentro del espacio
refrigerado puede ocurrir al final del evaporador o en la tubería de aspiración localizada dentro del
espacio refrigerado o en ambos sitios.
Figura. Diagrama de presión y entalpia con subenfriamiento y un condensador conectados
12

EFICIENCIA DEL REFRIGERADOR
Rendimiento frigorífico referido al ciclo de Carnot
Es el rendimiento frigorífico que es la relación entre el efecto refrigerante y la energía de
compresión suministrada, por lo tantos es:
𝜂𝐶 =
𝑇𝑒
𝑇𝐶 − 𝑇𝑒
(6.8)
Donde:
𝜂𝐶= Rendimiento frigorífico referido al ciclo de Carnot
𝑇𝑒 = Temperatura del evaporador
𝑇𝐶 = Temperatura del condensador
Eficiencia del ciclo real (𝜼)
También denominado rendimiento económico, que es la relación del COP y el rendimiento
frigorífico referido al ciclo de Carnot.
𝜂 =
𝐶𝑂𝑃
𝜂𝐶
(6.9)
13

Problema 6.1. Una sala de almacenamiento en frio se mantiene a 2°C mediante un sistema de refrigeración por compresión de vapor que utiliza un
refrigerante R 134a. Las temperaturas del evaporador y el condensador son de -5 y 30 °C respectivamente. La carga de refrigeración es de 70 kW. Calcular
el flujo másico del refrigerante, la potencia del compresor y el COP. Suponer que la unidad trabaja en condiciones de saturación y la eficacia en el
compresor es del 85%.
Datos:
Temperatura de la sala = 2°C; Temperatura en el evaporador = -5°C; Temperatura en el condensador = 40°C; Carga de enfriamiento = 20 Ton; Eficacia del
compresor = 85%
En el gráfico, lea los siguientes: presión del evaporador 243 kPa presión del condensador
h1=hg (-5°C) = 395.65 kJ/kg; h4= h3=hf (30°C) = 241.7 kJ/kg; h2= 418 kJ/kg del diagrama
Calculo de flujo másico
El calor de evaporador es de 70 kW
ሶ
m =
Qe
h1 − h4
=
70𝑘𝐽/𝑠
395.65 − 241.7 𝑘𝐽/𝑘𝑔
El flujo másico es de ሶ
m = 0.45kg/s
El trabajo del compresor
ሶ
𝑊
𝑐 = ሶ
m h2 − h1 = 0.45
𝑘𝑔
𝑠
418 − 395.65
𝑘𝐽
𝑘𝑔
El trabajo teórico es de ሶ
𝑊
𝑐 = 10.06 𝑘𝐽/𝑠
Determinando el trabajo del compresor real con la eficiencia de 85%
ሶ
𝑊
𝑐 =
10.06𝑘𝐽/𝑠
0.85
= 13.32𝑘𝑊
El coeficiente de operación es de
COP =
Qe
W
=
h1 − h4
h2 − h1
=
395.65 − 241.7
418 − 395.65
= 6.96
14

Problema 6.2 Un ciclo sencillo de refrigeración que utiliza amoníaco como sustancia de trabajo, necesita mantener un
espacio refrigerado a 0°C. El ambiente que rodea al condensador está a 38°C. Considere vapor saturado a la entrada
del compresor y líquido saturado a la salida del condensador. La eficiencia adiabática del compresor es el del 100%.
Determine el coeficiente de operación de este ciclo.
P1=Psat = 290.85kPa; h1=hg(-10oC) = 1432kJ/kg; s1=sg(-10oC) = 5 4730kJ/kgK; s2=s1= 5 4730kJ/kgK
P2= 1929.13kPa; h2= 171.85 kJ/kg
Haciendo volumen de control en el mezclador
Qe= h1-h4
T3COND=Tamb – 10; T3COND=38 +10 = 48oC; P2=P3 = 1229.13kPa; X3= 0; h3=hf (1229.13kPa) = 411.15kJ/kg =h4
qL= 1432-411.15 =1020.85kJ/kg
Wc= h1-h2=1432-1718.5=-286.5kJ/kg
COP= qL/Wc=1020.85/286.5 = 3.5
15

Problema 6.3. Un sistema de refrigeración que elimina 500kW de calor y opera según un ciclo ideal de vapor con el refrigerante R134a. Teniendo en cuenta que el
refrigerante entra al compresor como vapor saturado a 140kPa y se comprime a 800kPa. Calcular.
a) Cantidad de refrigerante liquido en la salida de la válvula de expansión.
b) Coeficiente de operación del ciclo.
c) Consumo de energía el compresor.
Qe=300kW; P=140kPa interpolando, T=-18.8°C, h1= 236.03kJ/kg y s1=0.9322kJ/kg.K.
Salida del evaporador = entrada al compresor; s1=s2=0.9322kJ/kg°C y P2=800kPa
De la tabla de vapor sobrecalentado, h2=272.05kJ/kg (interpolando)
Salida del condensador = entrada al expansor de las tablas h3=93.41kJ/kg
P3=800kPa, hf
h3=h4
ሶ
m =
Qe
h1 − h4
=
500
𝑘𝐽
𝑠
236.03 − 93.41
𝑘𝐽
𝑘𝑔
= 3,51𝑘𝑔/𝑠
ℎ4 = ℎ𝑓 + 𝑥4ℎ𝑓𝑔 a 140kPa
93.41=25.74+x4(136.03-25.74)
x4=0.322 e y4=0.678
m4liquido=y4m=0,678(3.51kg/s)= 2.377kg/s
COP =
Qe
W
=
h1 − h4
h2 − h1
=
500𝑘𝑊
2.1
𝑘𝑔
𝑠
272.07 − 236.03
𝑘𝐽
𝑘𝑔
= 3.95
𝑊
𝑐 = ሶ
m h2 − h1 = 3.51
𝑘𝑔
𝑠
272.05 − 236.03
𝑘𝐽
𝑘𝑔
= 126.43 𝑘𝑊
16

Problema 6.4. Una instalación frigorífica de compresión mecánica que utiliza R134a como fluido frigorigeno
ha de evacuar 30000 kcal/h de un foco que se quiere mantener a 0°C. La condensación de los vapores
comprimidos se efectúa mediante agua del pozo que entra al condensador a 18°C. Si la temperatura
máxima admisible del fluido en el compresor es 40°C, calcular.
a) Las temperaturas razonables de evaporación y condensación.
b) Calor eliminado del condenador y COP.
c) Rendimiento de la instalación frigorífica.
a) Te = Ta,e - 5°C = 0-5 =-5°C y la temperatura de condensación, Tc = 30°C.
La temperatura del condensador variara de 0 a 18 y 40°C.
h1= 247.5kJ/kg; h2=93.58 kJ/kg; h4= h3= 93.58kJ/kg
b) qc= h2 - h3= 324-142 =182kJ/kg
c) COP =
h2−h3
h2−h1
=
324−124
324−297
= 6.74
d)
𝜂𝐶 =
273 − 5
273 + 30 − (273 − 5)
= 7.66
𝜂 =
𝐶𝑂𝑃
𝜂𝐶
=
6.74
7.66
= 0.88 > 0.7
17

PROBLEMAS PROPUESTOS
1. Un sistema de refrigeración simple usa amoniaco (R-717), la temperatura de evaporación es de -20 °C y la
temperatura del condensador es de 30 °C. Determinar el C. O. P.
2. De 10 ton de capacidad sistema de refrigeración, la presión del refrigerante en el evaporador es de 200 kPa,
mientras que en el condensador es 800 kPa. Si el amoníaco (R-717) bajo condiciones saturadas, calcular la
potencia teórica necesaria para hacer funcionar el compresor.
3. Una planta de refrigeración con refrigerante amoniaco (NH3), donde la evaporación se realizará a -10 ºC y la
condensación a 40 ºC, suponiendo que el ciclo es ideal.
a) Determinar la presión de alta y la de baja.
b) Calcular las entalpías y las temperaturas de los diferentes puntos del ciclo.
c) Calcular el flujo de calor por kg de refrigerante en el evaporador y en el condensador.
d) Determinar la energía consumida en el compresor por kg de refrigerante.
e) Determinar el resto de valores, según un modelo de cálculo en el que la potencia frigorífica sea de 20.000
kcal/h.
4. Una instalación industrial requiere de 90 kW de potencia de congelación. Para satisfacer estas necesidades,
un sistema estándar de compresión de ciclo de vapor fue instalado, utilizando amoníaco como fluido
refrigerante. Este ciclo opera a una temperatura de condensación de 30 °C y una temperatura de evaporación de
- 10 °C. Calcular: a) la circulación de masas de fluido refrigerante, (b) la energía requerida por el compresor, (c)
el coeficiente de rendimiento, y (d) la energía por cada kilovatio de refrigeración
18

PROBLEMAS PROPUESTOS
5. Calcular la potencia de compresión, calor del condensador, COP y eficiencia económico de un sistema de refrigerante R 134a, tiene una
temperatura de evaporación de -30°C y una temperatura de condensación 30°C. La capacidad del sistema es de 40 kW.
6. Se dispone de una unidad de frio que precisa extraer 150kJ para que tenga una condenación de 1kg de fluido refrigerante. La potencia
consumida por el compresor, que tiene un rendimiento de 85%, es de 8kW y COP es de 5.7 calcúlese:
a) El salto entalpico de refrigerante en evaporación y condensación
b) Flujo másico del refrigerante.
c) Carga de refrigeración en toneladas de frio.
7. Diseñar la instalación frigorífica de compresión:
Temperatura de evaporación : -20°C
Temperatura de condensación : +30°C
Temperatura de recalentamiento : -10°C
Temperatura de subenfriamiento : +20°C
Calor frigorífico : 100kW
Fluido frigorífico : amoniaco
a) Funcionamiento en régimen normal
b) Funcionamiento en régimen con recalentamiento en el evaporador
c) Funcionamiento en régimen con recalentamiento en la tubería de aspiración
b) Funcionamiento en régimen con subenfriamiento en el condensador
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