Maestra Eficiencia EnergticaASIGNATURA REFRIGERACIN Y CLIMATIZACIONProfesor :Dr. Mario A. lvarez Guerra Plasenciamaguerra@ucf.edu.cumaguerra1963@gmail.com

ASIGNATURA REFRIGERACIN Y CLIMATIZACION

TemaTtuloIIntroduccinIICiclo de refrigeracin por compresin de vaporIIICargas trmicasIIIInstalaciones de refrigeracin industrial y comercial.IVInstalaciones de climatizacin

ASIGNATURA REFRIGERACIN Y CLIMATIZACION

SEM.NM.ACT.NM.CONTENIDO11Tema I. Introduccin.Introduccin a las tcnicas de refrigeracin y acondicionamiento de aire. Procedimientos para la produccin de fro: El ciclo de refrigeracin por compresin mecnica del vapor y el ciclo de absorcin. 22Tema II. El ciclo de refrigeracin por compresin mecnica del vaporTermodinmica aplicada a la refrigeracin. Componentes bsicos y auxiliares del ciclo por compresin de vapor. Indicadores energticos. Prctica Coolpack.23Tema II. Refrigerantes. Clasificacin. Diagrama Presin-Entalpa. Refrigeracin y Medio Ambiente. Seminario34Tema III. Cargas trmicas. Condiciones de diseo interiores y exteriores. Aplicaciones informticas para el clculo de cargas trmicas.35Tema IV. Instalaciones de Refrigeracin Industrial y Comercial. Sistemas tpicos. Indicadores energticos46Tema IV. Instalaciones de Refrigeracin Industrial y Comercial. Mtodos de ahorro de energa. Seminario47Tema V. Climatizacin. Sistemas tpicos. Indicadores energticos. 58Tema V. Climatizacin. Mtodos de ahorro de energa59Evaluacin final

ASIGNATURA REFRIGERACIN Y CLIMATIZACIONEvaluacin:El criterio de evaluacin se regir por el anlisis integral de los siguientes aspectos:Asistencia a clases.Lectura y discusin crtica de documentos (participacin en seminarios)Elaboracin y discusin de un trabajo de curso.El trabajo de curso deber tener carcter real y preferiblemente de aplicacin en la empresa del maestrante. El contenido del mismo se relacionar con la evaluacin energtica de un sistema de refrigeracin o climatizacin y la propuesta de medidas para el uso racional y eficiente de la energa en el mismo.

INTRODUCCIONLos objetivos y aplicaciones de la refrigeracin son muy variados, abarcando desde la climatizacin de espacios a temperaturas de 20 25 C, hasta la produccin de fro a bajas temperaturas para la conservacin de alimentos en cmaras frigorficas a menos 30 C. Climatizacin: Aplicaciones que trabajan a temperaturas algo inferiores a las ambientales. Refrigeracin: Aplicaciones que trabajan a temperaturas mucho ms bajas, normalmente desde + 10 C hasta - 25 C, o ms bajas.

Las instalaciones frigorficas son altamente consumidoras de energa, y en algunos casos representan los mayores consumos, tal como sucede en algunas industrias alimentarias, frigorficos, fbricas de hielo, etc.El clima clido y hmedo obliga a que se produzcan grandes gastos de recursos y de energa para garantizar el confort. As por ejemplo, en instalaciones hoteleras aproximadamente 50-65% del consumo de energa es debido a la climatizacin.El ahorro en refrigeracin y climatizacines de primera importancia

APLICACIONES DE REFRIGERACIN Refrigeracin domstica: Refrigeradores y congeladores domsticos, debido a que el nmero de unidades en servicio es bastante grande la refrigeracin domstica representa un aparte de la industria de la refrigeracin.

Refrigeracin comercial: Abarca el diseo, instalacin y mantenimiento de instalaciones del tipo utilizado en los negocios de venta al detalle, restaurantes, hoteles e instituciones para almacenar, presentar, procesar y distribuir productos perecederos de todo tipo. Las capacidades de funcionamiento de las unidades cubren una amplia gama que va de menos de 1 kW hasta varios cientos de kW. Esta categora comprende equipo autnomo, instalaciones de presentacin a distancia y cmaras fras prefabricadas (por secciones modulares).

Refrigeracin industrial: Comprende las plantas de hielo, frigorficos, plantas qumicas, refineras, plantas de goma, etc.

Refrigeracin de transporte: Se refiere a los sistemas utilizados en barcos de pesca, camiones refrigerados, etc.

Climatizacin ordinaria, de interiores o de confort: Aquel cuya funcin principal sea la climatizacin para comodidad del ser humano se domina aire acondicionado de interiores. De gran importancia puesto que diversos estudios sealan que el 90 % de la actividad humana ocurre en espacios cerrados en pases desarrollados.

Aire acondicionado industrial: Toda climatizacin que no tenga por finalidad principal el acondicionamiento de aire para comodidad del ser humano se denomina aire acondicionado o climatizacin industrial. EjemplosEl control del contenido de humedad de los materiales higroscpicos.El control del ritmo de las reacciones qumicas y bioqumicas.La limitacin de las variaciones en el tamao de los artculos de precisin fabricados provocadas por la expansin y contraccin trmicas.El suministro de aire puro filtrado indispensable para la produccin de artculos de calidad.

Aire Acondicionado de VehculosAPLICACIONES DE CLIMATIZACION

Sistemas de refrigeracin mas utilizados

Se pueden dividir en dos tipos bsicos:

Sistemas de compresin mecnica.Sistemas de absorcin.

MAQUINA FRIGORIFICACICLO INVERSO

Esquema de un refrigerador de Carnot y diagrama T-s del ciclo inverso de Carnot.Medio CALIENTE a TuTuCondensadorTurbinaEvaporadorCompresorMedio FRO a TL

Carnot

COP = TF/TC-TF

donde TC y TF son las temperaturas de las fuentes, K.

Indicadores Energticos fundamentales de un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor Efecto refrigerante. Capacidad de refrigeracin. Trabajo del compresor. Potencia del compresor. Relacin de compresin. Calor rechazado en el condensador. Coeficiente de Comportamiento (COP). Eficiencia Energtica. Eficiencia Energtica Estacional.

Efecto refrigerante (q)

qe = (hsal hent)evap , kJ/kg.

Se hace necesario precisar, que en este caso, la entalpa de salida del evaporador no ser igual a hsat , pues en la mayoria de las ocasiones se presenta sobrecalentamiento y no condiciones de saturacin en este punto.

Capacidad de refrigeracin

Qe = qe mr , kW

mr: Flujo de refrigerante (Kg/s).

El calor removido constituye la Capacidad Frigorfica del sistema, la cual se expresa con mucha frecuencia en Toneladas de Refrigeracin.Una Tonelada de Refrigeracin es la cantidad de calor que debe extraerse para congelar una tonelada (inglesa) de agua a 32 0F y convertirla en hielo a 32 0F a presin atmosfrica en un da (24 horas).

1 tonelada de refrigeracin es igual a:Sistema InglsSistema MtricoSistema Internacional2 888 000 Btu/da72 000 kcal/da303.84 MJ/da12 000 Btu/h3 000 kcal/h12 660 kJ/h200 Btu/min50 kcal/ min211 kJ/min

Trabajo del compresor ( Wc )

Wc = (hsal hent)comp , kJ/kg.

Potencia terica demandada por compresor

Pt= Wc mr , kW

Potencia real demandada por compresor (P)

Pr = (Wc mr ) / c , kW

Siendo c la eficiencia del compresor.

Relacin de compresin (Rc) Rc = Pd/Ps

Los valores de presin de descarga y de succin del compresor (Pd y Ps) debern estar expresados como valores de presin absoluta.

Calor rechazado por el condensador (Qc)

Qc= ( hent - hsal)cond * mr , kW

Debe notarse que el calor rechazado en el condensador es resultado de los siguientes procesos. Proceso de desobrecalentamiento del gas que incluye la regin de vapor sobrecalentado (calor sensible). Proceso de cambio de fase (calor latente). Proceso de subenfriamiento en la regin de lquido subenfriado (calor sensible).

Coeficiente de Comportamiento del Ciclo (COP)

COP =

Eficiencia Energtica (Energy Efficiency Ratio, EER)

Se define como la relacin entre el calor removido (carga frigorfica) y la potencia elctrica total consumida:

Eficiencia Energtica Estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio, SEER)

ndice de consumo de potencia (kW/Ton)Con frecuencia se utiliza tambin para caracterizar la eficiencia de un equipo de refrigeracin el ndice que refleja la potencia consumida en kW por cada tonelada de refrigeracin.

Compresin seca + Estrangulamiento

Sistemas de compresin mecnica de vapor

Los sistemas de refrigeracin de compresin mecnica estn integrados por cuatro componentes bsicos:

Compresor Condensador Dispositivo de expansin Evaporador

Sistemas de compresin mecnica.

dispositivo expansincondensadorcompresorevaporador

Refrigerante lquido a baja presin en el evaporador absorbe calor y cambia a gasFuncionamiento de un Sistema de Compresin Mecnica

Funcionamiento de un Sistema de Compresin MecnicaABpresinentalpaevaporador

El vapor sobrecalentado entra al compresor donde se eleva su presinFuncionamiento de un Sistema de Compresin Mecnica

Funcionamiento de un Sistema de Compresin MecnicaACcompresorpresinentalpaevaporadorB

El gas sobrecalentado a alta presin se enfra y condensa en varias etapas en el condensadorFuncionamiento de un Sistema de Compresin Mecnica

Funcionamiento de un Sistema de Compresin MecnicaApresinentalpaevaporadorBCcompresorDcondensador

El lquido pasa por el dispositivo de expansin, el que reduce su presin y controla el flujo al evaporadorFuncionamiento de un Sistema de Compresin Mecnica

dispositivoexpansinAFpresinBCEDcompresorentalpaevaporadorFuncionamiento de un Sistema de Compresin Mecnicacondensador

Los ciclos de absorcin basan su funcionamiento en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el Agua y algunas sales como el Bromuro de Litio, para absorber, en fase lquida, vapores de otras sustancias tales como el Amoniaco y el Agua, respectivamente y luego lograr su separacin por la aplicacin de calor proveniente de una fuente exterior.

Sistemas de absorcin

Ciclo de Refrigeracin por AbsorcinAbsorcin Calor Rechazo CalorEntrada CalorRechazo CalorABCD

Fluidos de Trabajo Refrigerante Solucin Absorbente Amonaco - Agua Agua - Bromuro de LitioLa solucin absorbente esta confinada al absorbedor y el generador y se utiliza para transportar el refrigerante desde el lado de baja presin (evaporador) hasta el de alta presin (condensador).

La solucin absorbente debe tener una fuerte afinidad con el refrigerante y un punto de ebullicin notablemente superior al de aquel.

Concentracin Solucin SolucindiluidaSolucin concentradaSolucinIntermedia

Agua HeladaAgua enfriamientoIntercambiador de calorEnerga Consumida (Calor)Ciclo de Refrigeracin por Absorcin

GeneradorSolucin diluidarefrigerantevaporsolucin concentrada

generatorEnerga Consumida (Calor)

CondensadorAgua enfriamientorefrigerantevaporrefrigerante lquidocondenser

Dispositivo Expansin Refrigerante lquido dispositivo expansinevaporator

EvaporadorchilledwaterBomba spray evaporator

refrigerantevaporevaporatorAgua Heladarefrigerante lquido

AbsorbedorAgua enfriamientorefrigerantevaporSolucin concentrada Solucin intermediaBomba spray

Solucin diluidaabsorber

Intercambiador de calorBomba al generadorIntercambiador de calorSolucin concentrada

Solucin diluida

RESUMEN Las instalaciones frigorficas basan su funcionamiento en ciclos inversos y son consumidoras de energa.

Obtencin de frio basada en diferentes posibles efectos fsicos, qumicos, elctricos, etc.

Termodinmica de los ciclos de refrigeracin

Parmetros caractersticos

Sistemas mas utilizadosSistemas de compresin mecnica.Sistemas de absorcin.

****There are two fundamental differences between the absorption refrigeration cycle and the vapor-compression refrigeration cycle. The first is that the compressor is replaced by an absorber, pump, and generator. The second is that, in addition to the refrigerant, the absorption refrigeration cycle uses a secondary fluid, called the absorbent. The condenser, expansion device, and evaporator sections, however, are the same.Refrigerant enters the evaporator in the form of a cool, low-pressure mixture of liquid and vapor (A). Heat is transferred from the relatively warm water to the refrigerant, causing the liquid refrigerant to boil. Using an analogy of the vapor-compression cycle, the absorber acts like the suction side of the compressorit draws in the refrigerant vapor (B) to mix with the absorbent. The pump acts like the compression process itselfit pushes the mixture of refrigerant and absorbent up to the high-pressure side of the system. The generator acts like the discharge of the compressorit delivers the refrigerant vapor (C) to the rest of the system. The refrigerant vapor (C) leaving the generator enters the condenser, where heat is transferred to water at a lower temperature, causing the refrigerant vapor to condense into a liquid. This liquid refrigerant (D) then flows to the expansion device, which creates a pressure drop that reduces the pressure of the refrigerant to that of the evaporator. The resulting mixture of liquid and vapor refrigerant (A) travels to the evaporator to repeat the cycle.The components of the absorption refrigeration cycle will be discussed in detail in a moment.Absorption System FluidsProbably the greater of these differences between the vapor-compression and absorption refrigeration cycles, however, is the types of fluids used. The vapor-compression refrigeration cycle generally uses a halocarbon (such as HCFC-123, HCFC-22, HFC-134a, etc.) as the refrigerant. The particular absorption refrigeration cycle discussed in this clinic uses distilled water as the refrigerant.

Distilled water is stable, nontoxic, low in cost, readily available, environmentally friendly, and has a relatively high heat of vaporization (1000 Btu/lb [2326 kJ/kg]). The heat of vaporization is the amount of heat required to fully transform (evaporate) liquid to a vapor at a given pressure. For the water to be used as a refrigerant, the cycle must operate in a vacuum, that is, at a pressure below atmospheric pressure. This will be discussed shortly. Finally, large quantities of water are easily absorbed by the absorbent and separated within the absorption cycle.

Throughout the remainder of this clinic, when the term refrigerant is used, it refers to distilled water.These two fluids, the refrigerant and the absorbent, are mixed inside the chiller in various concentrations. The term dilute solution refers to a mixture that has a relatively high refrigerant content and low absorbent content. A concentrated solution has a relatively low refrigerant content and high absorbent content. An intermediate solution is a mixture of dilute and concentrated solutions.Components of the Absorption CycleThe four basic components of the absorption refrigeration cycle are the generator and condenser on the high-pressure side, and the evaporator and absorber on the low-pressure side. The pressure on the high-pressure side of the system is approximately ten times greater than that on the low-pressure side.

The operating conditions used in this section of the clinic are approximate, subject to variation with changing load and cooling-water temperature conditions.Starting on the high-pressure side of the cycle, the purpose of the generator is to deliver the refrigerant vapor to the rest of the system. It accomplishes this by separating the water (refrigerant) from the lithium bromide-and-water solution.

In the generator, a high-temperature energy source, typically steam or hot water, flows through tubes that are immersed in a dilute solution of refrigerant and absorbent. The solution absorbs heat from the warmer steam or water, causing the refrigerant to boil (vaporize) and separate from the absorbent solution. As the refrigerant is boiled away, or generated, the absorbent solution becomes more concentrated.

The concentrated absorbent solution returns to the absorber and the refrigerant vapor migrates to the cooler condenser. Physically, the generator and condenser are contained inside of the same shell. The pressure in the condenser section is less than the pressure in the generator section. This is because the temperature of the cooling water flowing through the tubes of the condenser is less than the temperature of the steam or hot water flowing through the tubes of the generator.Inside the condenser, cooling water flows through tubes and the hot refrigerant vapor fills the surrounding space. As heat transfers from the refrigerant vapor to the water, refrigerant condenses on the tube surfaces. The condensed liquid refrigerant collects in the bottom of the condenser before traveling to the expansion device.

In absorption water chillers, the cooling water system is typically connected to a cooling tower.From the condenser, the liquid refrigerant flows through an expansion device into the evaporator. The expansion device is used to maintain the pressure difference between the high-pressure (condenser) and low-pressure (evaporator) sides of the refrigeration system. In this example, the expansion device is a throttling pipe, which is a long section of pipe with an orifice restriction in it. It creates a liquid seal that separates the high-pressure and low-pressure sides of the cycle.

As the high-pressure liquid refrigerant flows through the expansion device, it causes a pressure drop that reduces the refrigerant pressure to that of the evaporator. This pressure reduction causes a small portion of the liquid refrigerant to boil off, or flash, cooling the remaining refrigerant to the desired evaporator temperature. The cooled mixture of liquid and vapor refrigerant then flows into the evaporator pan.Inside the evaporator, relatively warm return water from the chilled-water system flows through the tubes. An evaporator pump draws the liquid refrigerant from the bottom of the evaporator and continuously circulates it to be sprayed over the tube surfaces. This maximizes heat transfer.

As heat transfers from the water to the cooler liquid refrigerant, the refrigerant boils (vaporizes) and the resulting refrigerant vapor is drawn into the lower-pressure absorber. Physically, the evaporator and absorber are contained inside the same shell.Inside the absorber, the refrigerant vapor is absorbed by the lithium bromide solution. As the refrigerant vapor is absorbed, it condenses from a vapor to a liquid, releasing the heat it acquired in the evaporator. This heat, along with the heat generated during the process of being absorbed, is rejected to the cooling water that is circulated through the absorber tube bundle. Absorption of the refrigerant vapor creates a low pressure area within the absorber. This lower pressure, along with the absorbents affinity for water, induces a continuous flow of refrigerant vapor from the evaporator.Maximum surface area is provided by spraying the solution over the tube bundle. This also provides maximum heat transfer to the cooling water. The absorber spray pump mixes concentrated absorbent solution (returning from the generator) with dilute solution (from the bottom of the absorber) and delivers this intermediate solution to the absorber sprays.There are two reasons for using an intermediate solution rather than a concentrated solution in the absorber sprays. First, for effective tube wetting, a greater quantity of solution is required than is available from the generator. Therefore, dilute solution is mixed with the concentrated solution to increase the total quantity of solution being sprayed over the tube surfaces. Second, if concentrated solution were sprayed directly upon the absorber tube bundle, it would be subjected to temperatures that could cause it to crystallizea solidification of the bromide salt. Therefore, the concentration is reduced by mixing it with dilute solution.As the lithium bromide solution absorbs the refrigerant, it becomes diluted and has less ability to absorb water vapor. To complete the cycle and sustain operation, the absorbent solution must be reconcentrated. Consequently, the generator pump continuously returns the dilute solution to the generator to again separate the refrigerant vapor from the solution and reconcentrate the solution, thus repeating the cycle.

This cool dilute solution that is pumped from the absorber to the generator, and the hot concentrated solution returning from the generator, pass through a heat exchanger. This transfer of heat preheats the dilute solution, reducing the heat energy required to boil the refrigerant within the generator, and also precools the concentrated solution, reducing the required flow rate of cooling water through the absorber.

Notice that in the example cycle shown in this period, the cooling water passes through the condenser after passing through the absorber. Some absorption chiller designs split the cooling water and deliver it directly to both the absorber and the condenser.