Planta y procesos industriales

ESCUELA TECNOLOGICA - Av. Bulnes Nº 01855, Casilla 113-D Punta Arenas - Teléfonos 207019 – 207049 – 207921 JAIME VARGAS

PLANTAS Y

PROCESOS INDUSTRIALES

El semestre pasado cuando estudiamos las máquinas térmicas, vimos queéstas consumen energía térmica y producen energía mecánica: los motorestérmicos.

Introducción


MAQUINA TERMICA

Ahora vamos a estudiar las máquinas térmicas que realizan un ciclo inverso alde los motores térmicos. Estas máquinas consumen energía mecánica yextraen o ceden calor.

La máquina realmente es siempre la misma, pero el objetivo es distinto.

Si la máquina se utiliza para extraer calor de un recinto, se denominamáquina frigorífica.

Si lo que interesa es aportar calor al recinto, la máquina se denominabomba de calor.

Y si se trata de una máquina capaz de extraer calor en unas ocasiones y deceder calor en otras, se denomina bomba de calor reversible.

Introducción


Procesos Termodinámicos

Se asigna el prefijo “iso” a los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación.

ProcesoEcuación

CaracterísticaIsotérmico P.V = ConstanteIsocórico V = ConstanteIsobárico P = Constante

Adiabático P.V = ConstantePolitrópico P.V = Constante

T

proceso isotérmico

Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realizalentamente, de modo que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con elmedio circundante, se denomina proceso isotérmico.


proceso isocórico

Un proceso isocórico, también llamado proceso isócoro,isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumenpermanece constante.


proceso isobárico

Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante


proceso adiabático

Si sobre un sistema se realiza un proceso termodinámico de modo tal que nohaya intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se lo denominaproceso adiabático.


proceso politrópico

Cuando el proceso es intermedio entre estos dos extremos (adiabático eisotérmico) se denomina proceso politrópico.


Es un Ciclo termodinámico ”hipotético” utilizado comonorma para establecer comparaciones con ciclos reales.Con el ciclo de Carnot se muestra que, aun encondiciones ideales, una máquina térmica no puedeconvertir toda la energía calorífica que se le suministraen energía mecánica; tiene que rechazar parte de esaenergía.En un ciclo de Carnot, una máquina acepta energíacalorífica de una fuente a alta temperatura, o cuerpocaliente, convierte parte de ella en trabajo mecánico ydescarga el resto hacia un cuerpo frío. Cuanto mayorsea la diferencia en temperatura entre la fuente y elcuerpo frio, mayor será la eficiencia de la máquinatérmica.

Ciclo de Carnot


Si la máquina se utiliza para extraer calor de un recinto, sedenomina máquina frigorífica.

Si lo que interesa es aportar calor al recinto, la máquina sedenomina bomba de calor.

Ciclo de Carnot


Como todos los procesos que tienen lugar en el cicloideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entoncesla máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor ala fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a lamáquina.

Ciclo de Carnot


MAQUINA TERMICA BOMBA DE CALOR

Ciclo de Carnot



REFRIGERACION

INTRODUCCION

Un sistema de refrigeración se utiliza para mantener unaregión del espacio a una temperatura inferior a la delambiente.

El fluido de trabajo utilizado en el sistema puedepermanecer en una sola fase (refrigeración por gas) opuede cambiar de fase (refrigeración por compresión devapor).

La refrigeración suele asociarse a la conservación de losalimentos y al acondicionamiento de aire de edificios.

Las bombas de calor, es capaz tanto de enfriar como decalentar con la misma instalación, utilizándosefrecuentemente en edificios residenciales y comerciales.ESCUELA TECNOLOGICA - Av. Bulnes Nº 01855, Casilla 113-D Punta Arenas - Teléfonos 207019 – 207049 – 207921 JAIME VARGAS

Maquinas Frigoríficas (Refrigeradores)

Son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado enel ciclo de refrigeración se denomina refrigerante. Elciclo de refrigeración que se utiliza con más frecuencia esel ciclo de refrigeración por la compresión de unvapor. Estos dispositivos están provistos de cuatrocomponentes principales: un compresor, un condensador,una válvula de expansión y un evaporador queconforman el ciclo termodinámico por los cuales circula elfluido de trabajo (refrigerante).


Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor

El éter etílico fue el primerrefrigerante utilizado para elcomercio de sistemas porcompresión de vapor en 1850, lesiguieron otros como el amoniaco,dióxido de carbono, cloruro metílico,butano, etano y gasolina, entreotros.


Historia

Los problemas presentados como consecuencia de las fugas delos primeros refrigerantes que causaron lesionados y muertos, enla década de los veinte, trajo como consecuencia la limitación yfinalmente la prohibición del uso de los primeros refrigerantes.

En 1928, la compañía FrigidaireCorporation, desarrolló el R-21, el primermiembro de la familia de los refrigerantesde clorofluorocarbonos (CFC). Despuésde algunos años, esta empresa eligió alR-12 como el refrigerante más adecuadopara uso comercial y le dio a esta familiade compuestos el nombre comercial de“freón”.



Historia

Sin embargo, los refrigerantes R-12 y R-22 se han identificado comocontribuyentes en la degradación de la capa de ozono y en el efectoinvernadero, por lo que los refrigerantes R-134Aª se han usado comoreemplazos de los anteriores (el cual no es agresivo con el ambienteporque sus moléculas no contienen cloro).

REFRIGERANTES

Tabla con los nombres de muchos fluidos refrigerantes y su sigla respectiva.


• Es la sustancia encargada de absorber y ceder calor en unsistema de refrigeración sin perder sus propiedades.

• En un sistema típico de compresión de vapor, elrefrigerante cambia de fase, o sea, pasa de estado liquidoal gaseoso cuando absorbe calor y a liquido cuando pierdecalor.

REFRIGERANTES


• Refrigerantes antiguos : Son utilizados antes del año1930 llamados también carburados.

• Refrigerantes modernos : Utilizados después de los añosde 1930 llamados halogenados o flourocarbonados.

• Refrigerantes alternativos : Son refrigerante puros yalgunas mezclas que reemplazan a los modernos porqueno deterioran la capa de ozono y ni calientan la tierra.

REFRIGERANTES


Clasificación

Son reconocidos como peligrosos, explosivos, tóxicos

– Amoniaco (NH3) R-717– Propano (C3H8) R-290– Isobutano (C4H10) R-600ª– Dióxido de carbono (C02) R-744

REFRIGERANTES


Refrigerantes Antiguos

• CFC (CloroFluoroCarburos)

R-11, R-12, R-114, R-115• HCFC (HidroCloroFloroCarbonos)

R-22, R-123, R-124

• HFC (HidroFloroCarbonos)

R-134a, R-125, R-32

REFRIGERANTES


Refrigerantes Modernos (CFC y HCFC)

Refrigerantes Alternativos (HFC)

REFRIGERANTES


Código de Colores para el envase

La selección del refrigerante afecta:

• La capacidad del equipo .• El consumo de energía.• La seguridad.• El mantenimiento.

REFRIGERANTES


Selección del Refrigerante

Las perdidas de refrigerante se producen principalmente por:

• Fugas• Procedimiento de servicio deficiente• Contaminación• La alta presión en los sistemas

REFRIGERANTES


Importante:

Todas las perdidas se pueden reducir:1.- Siguiendo las recomendaciones del fabricante del equipo derefrigeración tanto para el uso como mantenimiento.2.- Utilizando equipo recomendados para este propósito.

Causas de Pérdida de Refrigerante

• Fugas ocasionadas por el desgaste • Fugas en las cañerías• Las abrazaderas • Las uniones• Fugas durante el mantenimiento

REFRIGERANTES


Orígen de las fugas de Refrigerante


Descripción del ciclo

El evaporador, lo que corresponde alcongelador en un refrigerador doméstico

El condensador-enfriador, que es unserpentín con tubos con aletas ubicado en laparte posterior

El compresor que es un aparato cilíndricoque se ubica normalmente en la parte inferiorde refrigerador

La válvula de expansión que es un tubocapilar.


Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiarde fase líquida a fase de vapor.

En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo:

El diagrama que representa los cuatro elementos mencionados la lamina anterior y que conforman el ciclo son:



1. Compresor: El refrigerante entra como vaporsaturado y se comprime a la presión delcondensador. Incrementa la presión del fluidopara que pueda condensarse a la presión delcondensador y circular por el sistema.

2. Condensador: El refrigerante sale delcompresor a una temperatura relativamentealta se enfrían y condensa conforme fluye porel serpentín liberando calor hacia el medioexterior.

3. Válvula Expansión: El refrigerante sale delcondensador y entra a la válvula donde supresión y su temperatura desciendedrásticamente, debido a la estrangulación.

4. Evaporador: El refrigerante entra alevaporador donde absorbe calor del espaciorefrigerado evaporándose y luego repetir elproceso.

En el compresor se eleva lapresión de la sustancia quese encuentra en su fasegaseosa y, por consiguiente,se eleva también sutemperatura.



Después de salir delcompresor, la sustancia,todavía en su fase gaseosa,entra al condensador-enfriador, donde rechaza caloral medio ambiente, debido auna diferencia de temperaturaque guarda con éste.

Debido a esta disminución desu energía, la sustancia bajasu temperatura y después secondensa, cambiando de fasegaseosa a la fase líquida. Entodo este proceso seconsidera que la presiónpermanece constante.



Una vez que la sustancia enla fase líquida sale delcondensador, entra a laválvula de expansión,produciéndole unestrangulamiento (en el quela entalpia a la entrada esigual a la de salida) que bajala presión de la sustancia ydisminuye su temperatura aun valor menor que latemperatura ambiente, en unestado cercano al líquidosaturado correspondiente aesta presión y temperatura.



La sustancia se ha empezadoa evaporar en la válvula deexpansión, pero se procuraque la mayor parte de laevaporación se lleve a caboen el evaporador donde lasustancia toma la energíanecesaria para suevaporación del medio que sedesea refrigerar o enfriar. Esteproceso es a presión ytemperatura constantes.



Una vez que sustanciase ha evaporadototalmente, entra en elcompresor para iniciarun nuevo ciclo alcomprimir el gas yllevarlo a un estado devapor sobrecalentadocon un aumento en supresión y temperatura.



Flujos energéticos asociados al ciclo:Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor


W compresor

Q condensador

Q evaporador

En el compresor:

proceso adiabático

Procesos



ProcesoEcuación



En el condensador-enfriador:

proceso isobárico

Procesos



ProcesoEcuación



En la válvula de expansión:

proceso isoentálpico

Procesos



La Entalpia es una magnitud cuya variaciónexpresa la cantidad de energía que un sistemapuede intercambiar con su entorno.

ProcesoEcuación



En el evaporador:

proceso isobárico

Procesos



ProcesoEcuación




Procesos


El refrigerante esta sometido cambios de estado, detemperatura y presión según circula a través del sistemade refrigeración

La información sobre estos cambios para los cálculos sepuede obtener de tablas o de manera más sencillasobre representaciones gráficas, la más utilizada es elDiagrama Presión Entalpía o Diagrama de Mollier.

El diagrama tiene presión (bar, atm o kPa) en el ejevertical o de ordenadas y entalpía (kJKg o Kcal/kg) en eleje horizontal o de abcisas, y cada punto en el diagramarepresenta un estado del refrigerante


Diagrama de Mollier


Diagrama de Mollier

La campana.

En la línea de líquido saturado solo hay líquido al 100% (en estado de equilibrio), a la temperatura desaturación que le corresponde, de acuerdo con la presión a la que está sometido. De forma que la másligera adición de calor provocará la aparición de la primera burbuja.En la línea de vapor saturado solo hay vapor al 100%, en estado de equilibrio, de forma que la máspequeñasustracciónde calor provocará la aparición de una gota de líquido.


Diagrama de Mollier

Punto critico: Es el punto más alto de la campana, en este punto por mucho que se incremente la presiónya no es posible condensar.

Temperatura crítica: Es la temperatura límite a la cual un gas no puede ser licuado por compresión. Porencimade esta temperatura es imposible condensar un gas aumentando la presión.


Diagrama de Mollier

El SUBENFRIAMIENTO del líquido se representa en la zona izquierda del diagrama correspondiente al líquido más o menos subenfriado.Un punto de esta zona representa un estado de líquido a una temperatura inferior a la de saturación.


Diagrama de Mollier

El RECALENTAMIENTO como la compresión de los vapores se efectuará en la zona derecha deldiagrama. Un punto en esa zona representa un estado de vapor calentado tras sufrir la ebullición, esdecir, vapor a una temperatura superior a la de saturación


Diagrama de Mollier

RECALENTAMIENTO:

Es la diferencia de temperaturas existente entre la temperatura real delrefrigerante en estado vapor y la temperatura de saturación correspondiente a lapresión a la cual se halla el mismo. La primera se mide con un termómetro (temperatura termométrica ), mientras que la segunda se mide con un manómetro, yse lee o bien en el mismo manómetro o, transformándose a presión absoluta, en latabla de refrigerante, recibiendo por ello el nombre de temperatura manométrica.Ambas mediciones deben hacerse en el mismo punto del circuito, pues de locontrario no medirían un recalentamiento real.

SUBENFRIAMIENTO:

Es la diferencia de temperaturas existente entre la temperatura desaturación correspondiente a la presión a la cual se halla el refrigerante y latemperatura real del líquido. Como en el caso anterior se deben comparar lastemperaturas manométrica y termométrica.


Diagrama de Mollier

Cuando se representa el funcionamiento de una instalación en el diagrama, veremos que lacondensación y la evaporación del fluido se efectúa en el interior de la campana, ya que enestos procesos tenemos diferentes proporciones de líquido y vapor.


Diagrama de Mollier


Diagrama de Mollier

Líneas de presiones: Las líneas horizontales corresponden a las presiones absolutas(Pre. absoluta=Pre. relativa o manométrica+ Pre. atmosférica).

Estas líneas horizontales llamadas abcisas, cuando se efectuan los cambios de estado apresión constante tanto en el condensador como en el evaporador reciben el nombre deisóbaras.


Diagrama de Mollier

Con este dato podremos conocer cuanto calor lleva el refrigerante en la entrada del evaporador, ysaber cuanto lleva en la salida, ya que solo nos bastará con restarlos dos valores y sabremos cuantocalor ha sido capaz de absorber cada Kg de refrigerante que ha pasado por el evaporador, así como lacantidad de calor que tendrá que evacuar el condensador cuando le sumemos el correspondiente altrabajo de compresor.

Líneas de entalpía: Son líneas verticales en las que el refrigerante tiene elmismo calor, sea cual sea su estado, recibenel nombre de isotentálpicas.En el SI las unidades empleadas sonKJ/Kg (1Kcal/Kg = 4.18Kj/Kg ).


Diagrama de Mollier

Líneas de temperatura: Reciben el nombre de isotermas. En la zona de líquido se aproximan mucho ala vertical, y no se suelen representar en el diagrama, mientras que en la zona de líquido-vapor sesuperponen a la isóbara correspondiente, debido a que el cambio de fase se hace a una temperatura ypresión constante (pasan a ser líneas horizontales). En la zona de vapor, las isotermas empiezan adescender de forma asintótica (es decir que la distancia entre las dos tiende a cero, a medida que seextienden indefinidamente.) La unidad empleada en el SI es el ºC


Diagrama de Mollier

Líneas de calidad: Son líneas oblicuas y casi verticales en el interior de la campana, entre las curvas de líquido saturado y vapor saturado, indican el porcentaje de líquido y vapor existente en la mezcla. Ejemplo. 100 % líquido y 0 % vapor.Si la línea está más próxima a la curva de líquido saturado hay más líquido que vapor en la mezclaEjemplo 20 % vapor y 80 % líquidoSi la línea está más próxima a la curva de vapor saturado hay más vapor que líquido en la mezclaEjemplo 80 % vapor y 20 % líquido


Diagrama de Mollier

Líneas de volumen específico constante: Este dato nos permitirá conocer el volumen que ocupa unKg de refrigerante que ya está totalmente evaporado, bajo unas condiciones de trabajo específicas.

La unidad más empleadapara el volumen específicoes el m3/Kg.Las líneas de volumen constante recibenel nombre de isócoras


Diagrama de Mollier

Líneas de entropía constante, isoentrópicas: Son líneas casi verticales algo inclinadas a la derechaque se empleanpara el trazado de los procesos de compresión.

El termino de entropía se utiliza cuando el vapor se comprime, y no se añade ni libera calor alexterior.Cuando la entropía es constante, el proceso se denomina adiabático.Es práctica común dibujar la línea de compresión a lo largo de una línea de entropía constante oparalela a ella.La unidad de medida que se utiliza es el Kj


Diagrama de Mollier

• Equipos de refrigeración• Aire acondicionado o acondicionador de aire• Refrigerador, nevera o frigorífico• Enfriador de agua• Cámara de refrigeración• Fábrica de hielo• Aire acondicionado automotriz


Máquinas que aplican la refrigeración por compresión de vapor

CALOR SENSIBLE. Es el calor que se emplea en variar la temperatura del cuerpo

CALOR LATENTE.Es el calor que se utiliza para que se produzcan los cambios de estado (sólido, líquido o gaseoso)


Calor Sensible y Calor Latente


Bomba de Calor

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