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BOMBAS DE CALOR
El OBJETIVO PRINCIPAL ESPROPORCIONAR CALOR A
UN FOCO CALIENTE.
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Un poco de historia Kelvin en 1852 introduce el concepto.
EN 1927 Electrolux introduce en el mercado
la primer Bomba de Calor ( Escocia) EN 19501955 cae la imagen de la
bomba de calor por el uso inadecuado.
En 1976 se reinicia, con YORK que producela primer Bomba de calor , controlada por PC
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Bomba de calor funcionando en modo
enfriamiento
1
4
23
1
43
2
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Flujo y estado del refrigerante en modo
enfriamiento
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5
Bomba de calor funcionando en modo
calentamiento
1
4
23
4
12
3
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Flujo y estado del refrigerante en modo
calentamiento
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EQUIPOS UNITARIOS
Se pueden clasificar en: Residenciales (hasta65000 Btu/h (5.4 TR), generalmentemonofsicas), Comercial Liviano (hasta 135000Btu/h (11.3 TR), generalmente trifsicas),Comercial Pesado (mas de 135000 Btu/h).
Split: Se dice del equipo cuando viene divididoen varias unidades (por ejemplo interior yexterior).
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BOMBA DE CALOR UNITARIA
Cubren un rango aproximado de 1.5 a 30 TR.
La cantidad de energa en forma de calor que sepuede obtener vara de 2 a 4 veces la consumida.
En el caso de aire acondicionado, para un mejorconfort, antes que sobredimensionar la bomba, esmejor alguna fuente complementaria de calor obombas de capacidad variable (incluyendo
compresores movidos por motores de combustininterna, etc).
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BOMBA DE CALOR APLICADAS
BOMBAS DE CALOR INDUSTRIALES Se trata de recuperar parte del calor
generado en un proceso (y que normalmentesera desperdiciado), para verterlo en algunaparte del proceso o acondicionar algnambiente.
Es mucho mas difundido el uso de bombasde calor para acondicionamiento trmico quepara uso industrial.
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Eleccion de las fuentes de calor
Lugar geogrfico Disponibilidad de recursos naturales
Costos operativos Recuperacin de calor de procesos Ejemplos fuentes : aire
aguatierraenerga solar
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AIRE (caractersticas)
Barato , limpio.
Acondicionamiento interior en edificios. Poco poder de intercambio Aplicaciones en Piscinas (deshumidificar) DESVENTAJA: EQUILIBRIO Tev y Tamb
Cal/hr
T ext
Perdidaambiente
CapacidadRerfg.
Pto
equilibrio
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AGUA (caractersticas)
Gran poder de intercambio. Utilizacin de agua subterrnea como fuente.
(Temp. cte) Agua de efluentes. Precauciones: tratamiento, filtracin y
contaminacin, corrosin. Colocacin intercambiadores en lagos, ros etc.
(evitar hacer pozos) Costos de extraccin Aguas de alcantarillado ( Temp. sup.)
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Agua -Aire friCalor
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Tierra (caractersticas)
Utilizacin como Fuente de Calorsumergida.( tubos enterrados)
Puntos a tener en cuenta: efectividad Corrosin, humedad, composicin,
difusividad. Liquido anticongelante
Temperatura mas estable que otrasfuentes
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COPc= Tf / (TcTf )
Factor de Func.= Tc / (TcTf )=
(TcTf+Tf)/ (TcTf )=1 + COPcFactor funcionamiento mayor que uno
COP Vs. Factor de funcionamiento
W
TEMP.
Entropia
Tc
Tf
Factor deFuncionamiento(NH3)
-10C 10C Temp Exterior
3
6
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Aire como foco caliente
Utilizando aire
como foco caliente
se tiene un
intervalo de
funcionamientoms amplio
El factor que influye
es la temperatura
exterior
Se ve que la
capacidad delcompresor
disminuye a bajas
temperaturas de
evaporacin
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Bomba de calor funcionando en modo
enfriamiento
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Flujo y estado del refrigerante en modo
enfriamiento
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Bomba de calor funcionando en modo
calentamiento
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Flujo y estado del refrigerante en modo
calentamiento
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Equipos unitarios, componentes
El flujo de refrigerante est controlado por placaorificio, tubo capilar, o vlvula termosttica.
El tubo capilar es menos costoso pero puedeprovocar que el evaporador trabaje sobre o sub-alimentado para diferentes temperaturas decondensacin. Esto puede ocasionar un
funcionamiento con un rendimiento inferior alptimo. Esto se evita con la vlvula termosttica.
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Componentes-ejemplo
Vlvula termosttica
de expansin
P1= P2 + P3
P1 es la presin del
elemento termosttico
P2 es la presin en el
evaporador
P3 presin del resorteequivalente al
sobrecalientamiento
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Modelado de la vlvula termosttica
q = flujo de calor
C constante del diseo de lavlvula proporcional
densidad del lquidoentrante
diferencia de presinen la vlvula
hf entalpa del lquido
entrante hg entalpa del gas saliente
2/1... phhCq fg
p
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Una vlvula termosttica opera con sobrecalientamiento y obedece a
cambios en el sobrecalientamiento. Los valores estndar van de 4 a
8F.Dependiendo del diseo, tamao y aplicacin
La capacidad a plena carga de las mismas es de 10
40% del valornominal como reserva. Es el tramo BC en la curva gradiente
Una vlvula termosttica convencional no regulara el flujo
convenientemente en ambas direcciones. Debido a eso se emplean 2
vlvulas para las bombas de calor, una para cada condicin de
operacin
A un tubo capilar no le afecta la direccin del flujo, pero por la
diferencia de presiones evita que por el compresor pase la cantidad
de refrigerante necesaria
Vlvula termosttica de expansin
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La figura muestra un evaporador funcionando con R22 a una temp. desaturacin de 40F (68.5psi)
Punto A mezcla
saturada de lquido y
vapor 40F (68.5psi)
Punto B vapor saturado
40F (68.5psi)
Punto C vapor
sobrecalentado 50F y
68.5 psi(sobrecalentamiento
10F)
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El grfico de la izquierda muestra el gradiente tpico de unavlvula de expansin termosttica
El grfico de la derecha muestra la relacin entre presin ytemperatura en el elemento termosttico
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Vlvula inversora de 4 vas
A la lnea simple siempre vienela descarga del compresor quees derivada al condensador
La lnea del medio siempreva a la succin delcompresor
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Funcionamiento del barril
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Funcionamiento del barril
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Vlvula inversora comandada por vlvula solenoide
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El acumulador operaevitando que elcompresor succionelquido
Tambin retiene elaceite contenido en elrefrigerante (podraacumular todo elaceite del compresor,
falla)Un orificio en la base hace quepor efecto Ventu rilos
vapores arrastren el aceite al
compresor donde pertenece
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EJEMPLO CHILLER / BOMBADE CALOR AGUA-AGUA
Marca ADDISON, modelo WWR 048 de 4 TR(en lnea WWR disponible de 3 a 35 TR).
Funcin: Su funcin es calentar o enfriar agua a partir de una
fuente que intercambia con agua. Del lado de la fuente puede haber una torre de
enfriamiento, un intercambiador geotrmico, etc
Del lado de la carga pueden existir muchasaplicaciones como ser fan coils, radiant coils, calentaragua de piscinas o spas, una aplicacin de proceso,etc
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EJEMPLO CHILLER / BOMBADE CALOR AGUA-AGUA
Dimensiones: Altura = 53 cm Largo = 71 cm
Ancho = 71 cm
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CIRCUITO DE REFRIGERACIN
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DATOS DEL FABRICANTE
Fluido refrigerante R-22 Compresor Scroll Modo CALOR:
Datos basados en Te (carga) = 100F (38C), Te(fuente) = 70F (21C), caudales de agua iguales a 12gpm (2.73 m3/h).
Capacidad = 57546 Btu/h (16.865 kW)
Compresor:Psuccin = 80 psig (658 kPa)Pdescarga = 280 psig (2040 kPa)Pot. entregada = 3473 W
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DATOS DEL FABRICANTE
Modo CALOR: Pot. elctrica = 4092 W (RLA = 18.6 A (208-230 V / 1
fase / 60 Hz))
Modo FRO: Datos basados en Te (carga) = 55F (13C), Te(fuente) = 85F (29C), caudales de agua iguales a 12gpm (2.73 m3/h).
Capacidad = 39470 Btu/h (11.567 kW) Compresor:
Psuccin = 65 psig (550 kPa)Pdescarga = 230 psig (1690 kPa)
Pot. Entregada = 2741 W
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CICLO DE REFRIGERACIN
Para construir el ciclo de refrigeracincorrespondientes a las condiciones de
funcionamiento anteriormente mencionadas sesupone razonablemente un sobrecalentamiento de6C y un subenfriamiento de 5C (debido a que nose poseen datos al respecto).
El orgen de Entalpas y Entropas respectivamentees de 200 Kj/Kg y 1.0 Kj/(Kg.K) para lquido saturadoa 0C.
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MODO CALOR DIAGRAMA deMOLLIER (o PH)
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MODO CALOR DIAGRAMA TS
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MODO CALOR CLCULOS
CTCT
CTCT
QTcm
COPPotQCOP
COP
hh
hh
segkg
mQhhm
m
kWQWQQ
Q
fue ntefue nte
acac
agua
se
se
aguapagua
elctentr
isis
is
refrrecrefr
refr
reccompentrrec
rec
1721
4338
:aguaelconIntercamb.
4.12
:Perform.deCoef.
%5.72
:CompresinIsentrp.Rend.
0870.0)(
:Refrig.MsicoFlujo
392.13
:RecibidoCalor
argarg
12
12
41
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MODO FRO DIAGRAMA deMOLLIER (o PH)
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MODO FRO DIAGRAMA TS
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MODO FRO CLCULOS
CTCT
CTCT
QTcm
COPPotQCOP
WPotfroW
froPot
calorPot
calorW
COP
hh
hh
segkg
mQhhmm
kWQWQQQ
fuent efuente
acac
agua
se
se
aguapagua
elct
abs
elctcomp
compelct
compelct
compcomp
isisis
refrrecrefrrefr
entrcompabsentrentr
3429
913
:aguaelconIntercamb.
58.3
3229)(
)(
%9.84)(
)(
calor.modoenposeequealigualcompresordelorendimientunsuponemosEntonces
fromodoencompresorelporconsumidaelctricaPotencialasobredatosposeenseNo
:
%9.57:
0714.0)(:
308.14:
argarg
12
12
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COMENTARIOS
En general en este tipo de equipo el COPoscila entre 2 y 3. En nuestro casoobtuvimos valores de 3.58 para modo fro y
4.12 para modo calor. En este sentido valeacotar que tenemos un compresor Scroll(alto rendimiento volumtrico) y este permitegeneralmente obtener COPs mas altos.
En modo calor el COP es mas alto que enmodo fro. Esto es bastante lgico ya adiferencia del modo fro, en modo calor seaprovecha el calor aportado por el
compresor.
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BOMBAS DE CALORINDUSTRIALES (Aplicadas)
Recuperar calor generado en algunaparte de un proceso.
Menos difundido que el uso de bombasde calor para acondicionamiento de aire,a pesar de poseer en general COPs masaltos.
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TIPOS DE BOMBAS DE CALORINDUSTRIALES
Las mas importantes son:
Ciclo de compresin cerrado motor
elctrico (ECCC) Ciclo de compresin cerrado motor diesel
(DCCC)
Recompresin mecnica de vapor (MVR)
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CICLO CERRADO
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CICLO DE COMPRESINCERRADO (ambos motores)
Formas de aumentar el COP:
1. Subenfriamiento: 1% cada 2 C de subenf
2. Uso de economisador o tanque flash intermedio.
Los compresores pueden ser reciprocantes (hasta500 kW de calor bombeado), de tornillo (hasta 5MW) y turbocompresores (mas de 2 MW).
Los gases refrigerantes tpicos, aunque en desuso
por razones ambientales, son el R-12, el R-22 y elR-114.
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CICLO CERRADO CON MOTORELCTRICO
Rendimiento de Motor alrededor de 90%. COPs tpicos 4 6. COPs no varan mucho de un refrigerante a otro pero la capacidad si. COPs aumentan levemente desde los compresores reciprocantes, pasando
por los de tornillo, hasta los turbocompresores (COPs mayores).
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CICLO CERRADO CON MOTORDIESEL
El ciclo en s posee COP bajo. Se intentarecuperar el calor del agua de enfriamientodel motor y de los gases de escape. COPtpico de 2.
El rendimiento mecnico tpico de losmotores Diesel que se usan para bombas de
calor es de 40%.
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RECOMPRESIN MECNICA DEVAPOR Consiste en comprimir gases residuales (aumentando la T),
para luego poder extraerle el calor.
En general se trabaja con vapor de agua (la fuente).
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RECOMPRESIN MECNICA DEVAPOR
Se utilizan bsicamente 2 tipos de compresores:1. Turbocompresores:
Los mas usados son radiales.
Caudales altos y medios. Relacin de compresin alrededor de 2. Rendimiento isentrpicos de 0.7 - 0.8. Con separador de lquido.
2. Compresores de Tornillo:
Caudales normalmente menores. Relacin de compresin de 2 a 6. Rendimiento isentrpicos de 0.7-0.9. No necesitan de separador de lquido.
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FACTORES ECONMICOS(ALGUNAS OBSERVACIONES)
Si las condiciones permiten su uso, las MVR son las bombasque poseen perodos de retorno a la inversin menores.
El perodo de retorno a la inversin de las ECCC dependefuertemente del COP y el costo de la energa elctrica. Engeneral para valores de COP=6 deberan ser rentables.
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LAS BOMBAS INDUSTRIALES ENEL MUNDO
Datos en base a 8 pases del primer mundo.
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Bombas de calor geotrmicas
Ventajas:
Temperaturas de fuente o sumidero establesdurante el ao.
No requieren descongelado en el evaporador enmodo heat
Por debajo de 1C las bombasenfriadas por aire necesitancalefaccin suplementaria
Mejora en eficiencia
Menor costo de
mantenimiento que otrostipos de sumidero
Larga vida til
Menos ruidosos que equipos con torres o condensadores evaporativos.
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Tipos de
intercambiadores
geotrmicos
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Cuadro comparativoTubos
horizontalesTubos en espiral Loop vertical
Profundidad1,2 a 3 m 1,2 a 3 m 20 a 90 m
Espaciamiento 2 a 4 m 4 m > 5 m
Capacidad de
intercambio
100-400 ft por TR 500-1000 ft por TR 200-600 ft por TR
Ventajas-Relativo bajo costo deperforacin
-Menos superficie que loshorizontales-A veces los costos sonmenores
-Menos longitud decaera-Menos potencia debombeo-Temperatura ms estable-Menos rea en planta
Desventajas
-Superficie en planta-Temperatura sujeta avariaciones
-Mayor longitud que losverticales-Adicin deanticongelantes
-Ms caera-Temperatura sujeta a
variaciones-Ms potencia de bombeo-Dificultad para el llenado
-Necesita equipo deperforacin-Mayores costos deperforacin
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Tubos sumergidos Sistema abiertoExpansin
directa
Profundidad1,8 a 2,4 m
50 cm sobre el lecho Depende de lascondiciones locales
2.7 a 3.7 m (vertical)
1.5 a 3 m (horizontal)
Espaciamiento 3000 ft2 por TR N/A
Capacidad de
intercambio300 ft por TR 1.5 a 3 gpm por TR
100-150 ft2/TR (v)450-550 ft2/TR (h)
Ventajas
-Puede ser el de menor
largo de tubos.-Puede ser de bajo costodependiendo dedisponibilidad de agua
-Diseo simple-Menor perforacin-Mejor rendimientotermodinmico-Menores costos
-Mejor eficiencia del
sistema-No requiere bombeo
Desventajas
- Requiere gran cantidadde agua- Restringe el uso del lago
-Sujeto a regulaciones-Disponibilidad de agua (reinyeccin)-Fouling, material ensuspensin, corrosin
-Costo inicial-Tubos sujetos acongelamiento-Retorno de aceite-Ms carga refrigerante-Peligro de fugas
Variacin con el clima anual
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Temperaturadel suelo
Impacto en laeficiencia
Determina eltamao del GHE
Variacin con el clima anual
Variacin con la profundidad
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Conductividaddel suelo
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Consideraciones econmicas
Coeficiente de performance
Factible cuando elcosto de energaelctrica es aprox 3.5
veces menor que elprecio de combustiblepor BTU
Costos demantenimiento
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Normas aplicables
Technology Application Reference Standard Category (capacity)
Rating Condition
(enter water temperature)
Minimum Performance
as of 10/29/2001
Cooling Heating
Water-Source Heat
Pumps ISO-13256-1(a) =17 kBtuh and =65 kBtuh and
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Cuadro
comparativo
de inversin
Griffiss AFB, NY
Conventional
System
Air-Source Heat
Pump
Ground-Source Heat
Pump
Number of units 13 7 22
Nominal capacity (tons)
Each
Total
13.5
175.5
13.5
94.5
4.8
105.6
Supplemental heaters (kW)
Each
Total
n/a
n/a
125
875
33
726
Equipment capacity
(kBtuh/h)
(at design conditions)
Summer
Winter
2,535.0
3,510.0
1,360.1
3,395.0
1,270.1
3,336.6
Energy Consumption (/yr)Electricity (kWh)
Demand (kW-mo)
Natural gas (therm)
Total energy (MBtu)
252,908
1,481
110,380
11,901
1,6546,555
4,200
0
5,562
1,413,207
4,355
0
4,822
Energy Costs ($/yr)
Electricity
Demand
Natural gas
Total energy
12,645
8,160
59,605
80,411
82,828
23,142
0
105,970
70,660
23,996
0
94,656
O&M Costs ($/yr) 8,775 3,300 3,700
Install Cost ($) 454,100 212,500 329,300
Equipment life (yr) 15 15 15
Total Life-Cycle Cost ($) 1,639,262 1,516,482 1,502,942
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Curso de Refrigeracin - IIMPI -FING - 2004
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Optimizacin de eficiencia Minimizacin de irreversibilidades
Generacin de entropa enuna caera: transicintrubulento - laminar
522
3
2
2)((Re)
.32
Pr),((Re)
'
D
f
T
m
NukT
qS D
ff
f
Df
gen
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Optimizacin de eficiencia Minimizacin de irreversibilidades
Caso 2 Calor transferidoconstante
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Minimizacin del trabajo Relacin de temperaturasptima
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T
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T
T
TUA
WW
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*
Luego:
Donde:La relacin de temperaturas que minimiza eltrabajo es:
optc,
Condicin imposible de satisfacer en laprctica. Viola la 2a ley de la termodinmica.
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Generacin de entropa en funcin de larelacin de transferencias y la eficiencia delcompresor
)()(
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1
Hccc
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T
e
cc
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T
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DAqUAxTAB
A
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H
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1
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*
Se puede escribir
Donde:
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*
eHLT
L
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gen
gen
qTTUAxfctesEDCBA
T
q
SS
G i d t f i d l
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Generacin de entropa en funcin de larelacin de transferencias y la eficiencia del
compresor
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Curso de Refrigeracin - IIMPI -FING - 2004
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COP y eficiencia 2 ppio en funcin de eficiencia delcompresor y relacin de transferencia entrecondensador y evaporador
Para (UA)=250 W/mK,
Qe=1000W, Th=303K y Tl=293K
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COP y eficiencia 2 ppio para una bomba decalor real e ideal
rev
irrII
COP
COP
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