Instalaciones y Tema 1: máquinas hidráulicas y Térmicas...
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Tema 1:Fundamentos de la producción de frío
por compresión
Juan Francisco Coronel Torohttp://jfc.us.es
Grupo de TermotecniaDpto. Ingeniería Energética
Universidad de Sevilla
Master en Ingeniería Industrial2º cuatrimestre
Instalaciones y máquinas hidráulicas
y Térmicas
Producción de fríoGrupo 1
Eficiencia Energética en la Edificación
Tema 1: Fundamentos de la producción de frío por compresión IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 2
ÍNDICE
1. Introducción2. Bases termodinámicas3. Ciclo de compresión mecánica4. Ejemplos
Fundamentos de la producción de frío por compresión
Eficiencia Energética en la Edificación
Tema 1: Fundamentos de la producción de frío por compresión IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 3
ÍNDICE
1. Introducción2. Bases termodinámicas3. Ciclo de compresión mecánica4. Ejemplos
Fundamentos de la producción de frío por compresión
Eficiencia Energética en la Edificación
Tema 1: Fundamentos de la producción de frío por compresión IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 4
q ¿Qué es la Producción Frigorífica?Tecnologías que persiguen colocar a un medio por debajo de la temperatura ambiente, mediante la extracción de calor (producción de frío).
q Producción térmicaØ Producción de calor� Generación térmicaØ Producción de frío � Tecnología Frigorífica
q Sectores y usos finales:
Introducción
Introducción
Eficiencia Energética en la Edificación
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Introducción
Aplicaciones
Eficiencia Energética en la Edificación
Tema 1: Fundamentos de la producción de frío por compresión IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 6
Ejemplo: Instalación de climatización
Introducción
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Generador de frío: Enfriadora condensada por aire
Introducción
12ºC
Evaporador
7ºC
35ºC
40ºC
45ºC
4ºC
Condensador
Agua
Aire
QC
QF
WC
Baja T y p
Alta T y p
T↑ p↑
Alta T y p
Eficiencia Energética en la Edificación
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ÍNDICE
1. Introducción2. Bases termodinámicas3. Ciclo de compresión mecánica4. Ejemplos
Fundamentos de la producción de frío por compresión
Eficiencia Energética en la Edificación
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q Presión manométrica y absoluta
Bases termodinámicas
Unidades de presión
pabs = pman + patm
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Bases termodinámicas
Unidades de energía y potencia
1 kcal = 4.19 kJ1 kcal = 1 fg
1 kW = 860 kcal/h1 kW = 860 fg/h
Eficiencia Energética en la Edificación
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q Propiedades termodinámicas- Temperatura, T [K] - Volumen específico, v [m³/kg] ! = 1/v [kg/m³] - Presión, p [kPa] - Entalpía, h [kJ/kg] - Entropía, s [kJ/kgK]
q Sustancias purasØ Monofase� Prop = f(x,y) = f (T, p) Ø Equilibrio bifásico� p = p (T) y Prop = f (T, X)
q MezclasØ Aire húmedo: Aire seco + vapor de agua � Prop = f (x, y, z)
q Diagramas termodinámicosØ Diagrama P-T: Curva de saturaciónØ Diagrama T-S: Ciclos termodinámicosØ Diagrama h-S: Producción de potenciaØ Diagrama p-h: Producción de fríoØ Diagrama psicrométrico: Tratamiento de aire y climatización
Propiedades de una sustancia pura
Bases termodinámicas
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q Diagrama P-T del agua pura
q Curvas de saturación: equilibrio líquido-vapor
Diagramas p-T
Bases termodinámicas
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q Diagrama T-s del amoniaco (R-717)
Diagramas T-s
Bases termodinámicas
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q Diagrama p-h del amoniaco (R-717)
Diagramas p-h
Bases termodinámicas
Eficiencia Energética en la Edificación
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q Balance de masa:
Ø Flujo másico:
q Balance de energía:
q Energía en tránsito:Ø Flujos de energía a través de una superficie (fenómeno superficial)
Ø Tipos de flujos:
§ Calor (Q): Flujo de energía debido a ∆T entre el sistema y el contorno
§ Trabajo (W): Intercambio de trabajo en la frontera del sistema
§ Energía asociada a la masa:
Balances de masa y energía en rég. permanente
!me = !ms kg/s⎡⎣ ⎤⎦
Ee = Es J⎡⎣ ⎤⎦!Ee = !Es W⎡⎣ ⎤⎦
!m = ρ !V = ρu A kg/s⎡⎣ ⎤⎦
!Em = !me = !m[h+ u2
2+ gz] W⎡⎣ ⎤⎦
Bases termodinámicas
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q Balance de masa (kg/s)
q Balance de energía (W)
q EjemplosØ Bomba
Ø Turbina
Ø Compresor
Ø Intercambiador
Ø Válvula
!me = !ms
!me[he +
ue2
2+ gze] +We +Qe = !ms[hs +
us2
2+ gzs] +Ws +Qs
Bases termodinámicas
Sistemas abiertos en régimen permanente
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1. Introducción2. Bases termodinámicas3. Ciclo de compresión mecánica4. Ejemplos
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q Máquina frigorífica de Carnot
Ciclo de compresión mecánica
Ciclo de Carnot: Componentes
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Ciclo de compresión mecánica
Eficiencia del ciclo
Eficiencia Energética = Energía útil
Energía consumida
COPMF =
Qf
Wc
(EER)
COPBC =
Qc
Wc
(COP)
COPBC ,C =
Tc
Tc −Tf
= 11−Tf / Tc
COPMF ,C =
Tf
Tc −Tf
= 1Tc / Tf −1
Efecto útil: Frío producido en el evaporador
Efecto útil: Calor transferido en el condensador
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Ciclo de compresión mecánica
Ciclo estándar de refrigeración
p
h
1
23
4
19 bar
6 bar5°C
50°C
70°C
3
Compresor
4 1
2
Condensador
Evaporador
Válvula de expansión
Vapor5ºC, 6 bar
Fluido enfriado
Fluido calentado
1
2
3
Vapor70ºC, 19 bar
Líquido50ºC, 19 bar
4
Líquido5ºC, 6 bar
s
T
3
41
2
p
h
1
23
4
19 bar
6 bar5°C
50°C
70°C
3
Compresor
4 1
2
Condensador
Evaporador
Válvula de expansión
Vapor5ºC, 6 bar
Fluido enfriado
Fluido calentado
1
2
3
Vapor70ºC, 19 bar
Líquido50ºC, 19 bar
4
Líquido5ºC, 6 bar
s
T
3
41
2
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Ciclo de compresión mecánica
Eficiencia del ciclo estándarq Efecto de la temperatura de evaporación (TC = cte = 35ºC)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-25 -20 -15 -10 -5 0 5
CO
P
TE (°C)
R-134a
R-22
Tc = 35 °C
R-717Carnot
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
-25 -20 -15 -10 -5 0 5COP/COP Carnot
TE (°C)
R-717 R-22
R-134a
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Ciclo de compresión mecánica
q Efecto de la temperatura de condensación (TE = cte = - 5ºC)
Eficiencia del ciclo estándar
2
3
4
5
6
7
8
9
10
30 35 40 45 50 55 60
CO
P
TC (°C)
R-134a
R-22
TE= -5 °C
R-717
Carnot
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
30 35 40 45 50 55 60
COP/COP Carnot
TC (°C)
R-717
R-22
R-134a
Eficiencia Energética en la Edificación
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Ciclo de compresión mecánica
Ciclo real de refrigeración
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Ejemplos
Problema de ciclo estándar
Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de refrigeración utilizando como refrigerante R-22, si su temperatura de condensación es 40°C y la de evaporación -10°C, calcular:
A. Caudal de refrigeranteB. Potencia de compresiónC. Coeficiente de eficiencia energéticaD. Relación de compresiónE. Caudal volumétrico de refrigerante manejado por el compresorF. Temperatura de descarga del compresorG. Coeficiente de eficiencia energética del ciclo inverso de Carnot con las
mismas temperaturas de evaporación y condensación
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