Tema 12: Circuito frigorífico y bombas de calor Guion


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1 Guion 1. Máquina frigorífica de compresión. 2. Elementos fundamentales de un circuito frigorífico. 3. Máquinas frigoríficas de absorción. 4. Diagrama general de una máquina frigorífica. 4.1 Foco caliente, foco frío y trabajo mecánico realizado. 4.2 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica. 5. Ciclo de Carnot en sentido inverso. 5.1 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de Carnot en sentido inverso. 6. Bomba de calor. 7. Rendimiento de una bomba de calor. 8. Rendimiento de una bomba de calor en ciclo de Carnot.

2 Las máquinas térmicas obtienen una transferencia de calor entre dos recintos que están a distinta temperatura. Dependiendo de cómo sea la transferencia buscada, tenemos dos tipos de máquinas: Un frigorífico recibe trabajo para absorber calor de un recinto a baja temperatura y expulsarlo en otro a temperatura superior. Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto a alta temperatura obteniendo calor de otro espacio a menor temperatura. 1. Máquina frigorífica de compresión. La refrigeración por compresión, consiste en comprimir adiabáticamente un gas y hacerlo pasar por un condensador en el que libera calor a presión constante. Se retiene el gas mediante una válvula de expansión y a continuación el gas se expande en un evaporador absorbiendo calor. 2. Elementos fundamentales de un circuito frigorífico. Los componentes de una máquina frigorífica deben ser, como mínimo, los cuatro siguientes: Compresor: Donde se aumenta la presión del fluido de forma adiabática. En este proceso se aumenta considerablemente la temperatura. Condensador: El fluido a temperatura elevada atraviesa un conducto donde libera el calor a presión constante. Regulador o Válvula de expansión: Es un estrechamiento que retiene al fluido a presión. Evaporador: Por fin, tras ser liberado el fluido a este elemento, en él se expande absobiendo calor. 3. Máquinas frigoríficas de absorción. la refrigeración por absorción o por cambio de fase, consiste en evaporar un fluido dentro de un recinto, del cual absorbe calor al cambiar de estado. Después, un compresor se encarga de condensarlo de nuevo, aumentando la presión, lo que además produce que aumente su temperatura. Esto facilita que en otro intercambiador de calor el líquido

3 ceda calor, enfriándose. A continuación pasa por un estrechamiento o válvula de expansión, tras la cual pasa de nuevo al evaporador, donde pierde bruscamente presión, razón por la que se evapora y se enfría, y se vuelve a repetir el ciclo. Si nos fijamos, se trata de un ciclo Rankine que se realiza en sentido contrario al de producción de potencia. 4. Diagrama general de una máquina frigorífica Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor que la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía eléctrica mediante un motor eléctrico. Una máquina frigorífica es un motor térmico funcionando a la inversa; en el motor térmico, el fluido termodinámico obtiene calor del foco caliente, realiza trabajo mecánico y cede calor al foco frío. En la máquina frigorífica, el fluido toma calor del foco frío y lo cede al foco caliente. Como se puede observar la transferencia de energía térmica se realiza en sentido contrario al que se produce de forma espontánea en la naturaleza y, según el segundo principio de la Termodinámica, esto sólo puede realizarse consumiendo trabajo. Por tanto, el diagrama energético funcional de una máquina frigorífica es el que se muestra en la figura. Esta transferencia se realiza mediante un fluido frigorígeno o refrigerante, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras. Se cumple el primer principio de la termodinámica: Qc = W + Qf

4 4.1 Foco caliente, foco frío y trabajo mecánico realizado. Tanto en el evaporador como en el condensador, el intercambio de energía se hace principalmente en forma de calor latente. En las máquinas frigoríficas el Ciclo de Carnot se invierte, de tal manera que se emplea un trabajo (W) realizado por un motor o una fuente eléctrica en extraer calor del foco frío, que será la cavidad del frigorífico, (Ff) y cederlo al foco caliente, que será la atmósfera (Fc). A continuación se pueden comparar los esquemas sencillos de Carnot de una máquina térmica (motor) y una máquina frigorífica (frigorífico o sistema de aire acondicionado). 4.2 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de Carnot en sentido inverso. El rendimiento térmico recibe el nombre de Coeficiente de Operación (COP) del inglés, Coefficient of performance y, como siempre, viene dado por la relación entre lo que se obtiene (absorber o liberar calor) y lo que se gasta (trabajo). El COP es eficiencia, o rendimiento de la máquina real no confundir con rendimiento, que sería un porcentaje teórico de la máquina ideal. W = Q F - Q C COP frigorífico = Q f / W = Q c W / W = T f / T c T f

5 5. Ciclo de Carnot en sentido inverso. Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q 1 del foco caliente a la temperatura T 1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q 2 al foco frío a la temperatura T 2. En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera devapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo y se cede calor al foco frío que es la atmósfera. La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q 2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q 1 al foco caliente. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera. 5.1 Coeficiente de operación de una máquina frigorífica según el ciclo de Carnot en sentido inverso. Económicamente, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayor cantidad de calor, Q f, del foco frío,t f, con el menor trabajo W. Es por ello que se define la eficiencia que no rendimiento- de una máquina frigorífica como el cociente Q f /W: Eficiencia o COP = Q f / W = Q f / Q c Q f = T f / T c - T f

6 6. Bomba de calor. El objetivo de la bomba de calor es aportar la máxima cantidad de calor a una estancia. Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto a alta temperatura obteniendo calor de otro espacio a menor temperatura. 7. Rendimiento de una bomba de calor. 8. Rendimiento de una bomba de calor en ciclo de Carnot.

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