Ciclos de fuerza de vapor y ciclos de refrigeración

Autores: María José Cisneros Rodríguez

Nazerin Herrera Venegas

Bryan Ávila García

Universidad Técnica Nacional (UTN)

IPRI-1112: Termodinámica

Docente: Luis Alberto Rojas Montealegre

23 de noviembre de 2021
Tabla de Contenido
Introducción ........................................................................................................................ 3
Desarrollo ............................................................................................................................ 4
Conclusiones .................................................................................................................... 26
Referencia bibliográficas.................................................................................................. 27

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Introducción

La presente investigación se refiere a los temas de ciclo de fuerza de vapor y

ciclo de refrigeración, el primer tema se puede definir como el vapor del fluido de
trabajo que más se emplea en los ciclos de potencia de vapor, gracias a sus
importantes ventajas entre ellas sobresalen el costo, la disponibilidad y alta entalpía
de evaporización, mientras que refrigerar es un proceso termodinámico en el cual se
extrae el calor del objeto considerado, y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa
energía térmica.
Como característica principal en el ciclo de fuerza vapor sobresale que se
compone de procesos de transferencia de calor a presión constante y de procesos de
trabajos adiabáticos, a diferencia del otro ciclo que está compuesto por el compresor,
el intercambiador de calor o condensador, la válvula de estrangulamiento, y el
evaporador, el cual es donde ingresa calor a la sustancia refrigerante proveniente del
medio que se está enfriando.
Algunas aplicaciones que se utilizan los ciclos son; climatización, conservación
de alimentos, procesos industriales, criogénesis, motores de combustión interna,
máquinas de herramientas, aparatos electrónicos, producción de energía eléctrica,
centrales termoeléctricas, entre otras.

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Desarrollo

Ciclo de Rankine Ideal

El sistema con el que funciona este ciclo consta de una caldera, donde el agua ingresa
a la caldera en cierto punto b y sale como un vapor en d. Luego existe una turbina,
donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado e.
Posteriormente, este vapor ingresa a un aparato de condensación donde se convierte
en un líquido en estado a. A su vez, es tomado por una bomba de inyección necesaria
para vencer la presión de la caldera, donde este se vuelve a convertir en el estado b
donde reingresa a la caldera.

Gracias a este ciclo de Rankine ideal, se pueden determinar diversos factores, los
cuales son muy importantes en los ciclos termodinámicos.

Ciclo regenerativo

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Este ciclo se basa en un razonamiento teórico de grandes consecuencias prácticas.
Ya se conoce que el ciclo de Rankine irreversible tiene un rendimiento menor que el
ciclo de Carnot, esto debido al Segundo Principio de la Termodinámica. Suponiendo
una serie de idealizaciones del ciclo de Rankine, se podría intentar hacer un
rendimiento que se aproxime al de Carnot, eliminando o controlando las
irreversibilidades que son propias de este, entonces se obtendría una gran mejora de
importancia económica vital.
En el ciclo de Rankine real, cuando la bomba inyecta condensado líquido a la caldera
este se mezcla con agua que está en su interior de forma espontánea, por lo tanto,
es irreversible. Habrá por ello un aumento de entropía y disminución de la utilizabilidad
de la energía. Si se lograra construir una turbina de modo que el condensado pudiese
fluir por su interior a contracorriente con el vapor y admitiendo la existencia de
gradientes infinitesimales de temperatura entre vapor y condensado, de modo que el
intercambio de calor sea reversible, tal y como se muestra en la siguiente imagen.

El condensado se calentaria reversiblemente en el interior de la turbina según la

trayectoria 1-2; por su parte el vapor en la turbina se expande al ceder calor
reversiblemente al condensado disminuye su entropía según la trayectoria 3-4, y
como el calor cede el vapor, lo toma el condensado, las trayectorias 1-2 y 3-4 serían
paralelas. Por lo tanto, el calor recibido por el ciclo será igual al área b-2-3-d y el
entregado por el vapor durante la condensación será igual al área a-1-4-c. Así el
rendimiento del ciclo se determina de la siguiente manera.

Uso de vapor para calefacción y energía

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En la industria, el uso del vapor para la producción de energía eléctrica es un función
más complementaria, esto debido a que el vapor se utiliza en su mayoría para el
calentamiento. Esto debido a que la mayor parte de las instalaciones industriales
suelen derivar vapor saturado o ligeramente recalentado al proceso para aprovechar
el vapor latente de la condensación. El calor específico del vapor vivo es del orden de
0.5 Kcal/Kg (°C) mientras que el calor latente es de aproximadamente unas 600
Kcal/Kg.
Por eso es conveniente emplear el vapor saturado para calefacción, en vez de
desperdiciar energía en el condensador de la turbina. El ahorro de energía es
considerable en uso mixto ( generación y calefacción ): alrededor de 1260 Kcal por
KW-hora producido en el generador eléctrico que de otro modo habría que gastar en
generar vapor para calefacción.
Acumuladores de vapor
Existen dos acumuladores de vapor. Los acumuladores de tipo gasómetro y los de
borboteo, también llamados acumuladores Ruths. En los de primer tipo el vapor se
almacena en un simple tanque aislado térmicamente, como si fuese un gas. En los
de tipo Ruths se acumula el vapor en un tanque más pequeño, bien aislado
térmicamente y que se parece en su forma al cuerpo principal de una caldera
convencional ya que tiene un domo colector de vapor en su parte superior. Contiene
una cierta masa de agua en la que burbujea el vapor, a menudo ayudando a la mezcla
con pequeños eyectores de modo que hay un equilibrio entre el vapor y el agua a la
temperatura y presión de operación.
El acumulador Ruths tiene la ventaja de que se puede usar el equipo como convertidor
de vapor de alta en vapor de baja, ya que si alimenta con vapor de alta presión y alta
temperatura se obtiene al mezclarlo con agua en distintas proporciones grandes
cantidades de vapor en menor presión y temperatura, es decir el acumulador Ruths
mezcla agua con un poco de vapor de alta entalpía, el cual es inutil para la calefacción,
dando como resultado mucho vapor de baja entalpía utilizable para la calefacción.

Generadores de Vapor
Las calderas usadas en la industria, el comercio y el hogar son diversas en tamaño,
capacidad y prestaciones, sin embargo, muchas de estas tienen múltiples similitudes
a las de la siguiente imagen.

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El ingreso de agua se hace por la válvula V al cuerpo principal de la caldera, donde
se establece un nivel indicado por el tubo de nivel situado encima de la válvula. El
vapor producido se recoge en el domo de vapor, y sale regulado por la válvula R. Esta
disposición es muy elemental y no resulta apropiada para producir cantidades
considerables de vapor, o con altas presiones y temperaturas.
En las calderas modernas se reemplaza el calentamiento directo del cuerpo cilíndrico
principal por calentamiento de tubos, con lo que consigue mayor superficie de
intercambio de calor, lo que mejora el rendimiento del calentamiento. En la mayor
parte de los diseños el agua circula por el interior de los tubos, en lo que se denomina
caldera de tubos de agua. En cambio en otros tipos los tubos están insertos en el
cuerpo cilíndrico principal y el humo circula por su interior, como algunas calderas de
locomotoras a vapor, llamadas calderas de tubo de humo o también de tubos de
fuego.
Ciclos de refrigeración
Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración,
que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una
temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeración se llaman
refrigeradores, y los ciclos en los que opera se denominan ciclos de refrigeración. El
ciclo de refrigeración que se utiliza con más frecuencia es por compresión de vapor,
donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente, para luego
comprimirse en la fase de vapor.Otro ciclo de refrigeración estudiado es el ciclo de
refrigeración de gas en el que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase
gaseosa.

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Refrigeradores y bombas de calor

Todos sabemos por experiencia propia que el calor fluye en la dirección de las
temperaturas decrecientes; esto es, de las regiones de alta temperatura a la de baja.
Dicho proceso ocurre en la naturaleza sin que requiera la participación de un
dispositivo. El proceso inverso, sin embargo, no sucede por sí solo. La transferencia
de calor de una región de una temperatura baja a otra alta requiere de dispositivos
especiales llamados refrigeradores.

Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y fluidos de trabajo utilizados en los ciclos
de refrigeración se llaman refrigerantes. Otro dispositivo que transfiere calor de un
medio de baja temperatura a uno de alta temperatura es la bomba de calor. Los
refrigerantes y las bombas de calor son esencialmente lo mismo; únicamente difieren
de sus objetivos. El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a
una temperatura baja al extraer calor de él. La descarga de este calor a un medio de
temperatura alta es una parte necesaria de la operación, no es el propósito. No
obstante, el objetivo de la bomba de calor es mantener el espacio a baja temperatura,
como el agua de pozo o el aire de exterior en el invierno y al suministrar este calor a
un medio más caliente, como una casa.

El desempeño de refrigeradores y bombas de calor se expresa en términos de

coeficientes de desempeño (COP), por siglas en inglés (coefficient of performance).

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Ciclo invertido de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo totalmente reversible que se compone de dos procesos
isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos. Tiene la máxima eficiencia
térmica para determinados límites de temperatura y sirve como estándar contra el
cual los ciclos de potencia reales se comparan.
Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos se comprenden el ciclo de
Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de calor y
de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas
del reloj en el diagrama T-s, que se llama el ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador
o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido como un
refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot.
Los coeficientes de desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor de
Carnot se expresan en términos de la temperatura como

Observe que ambos COP aumentan cuando la diferencia entre ambas temperaturas decrece,
esto es, cuando TL se eleva o TH baja
El ciclo invertido de Carnot es el ciclo de refrigeración más eficiente que opera entre dos
niveles específicos de temperatura.Por lo tanto, es natural considerar en primer lugar como
un ciclo ideal esperado para los refrigeradores y las bombas de calor. Si pudiéramos ,
ciertamente podríamos adaptarlo como el ciclo ideal.

Ciclo ideal de refrigeracion por compresion de vapor

Muchos de los aspectos imprácticos asociados al ciclo invertido de Carnot pueden ser
eliminados al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima y al
sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como la válvula de
expansión o un tubo capilar. El ciclo que resulta se llama ciclo ideal de refrigeración
por compresión de vapor, se muestra en la siguiente figura.

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Este ciclo es que más utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire
de bombas de calor, se compone de cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en compresor.

2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador.

En un ciclo de refrigeración por compresión de vapor el refrigerante entra al compresor

en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión
del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de
compresión isentrópica, hasta el valor bastante superior al de la temperatura del
medio circulante. Después el refrigerante entra al condensador como vapor
sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como
rechazo del calor hacia los alrededores.
El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del
evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar.

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Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor
Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor de uno ideal en varios
aspectos, principalmente, debido a las irreversibles que ocurren en varios
componentes.Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa
de caídas de presión), y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.
En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor
saturado. Sin embargo, en la práctica, no es posible controlar el estado del
refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso, es fácil diseñar el sistema de modo
que el refrigerante se sobrecalienta ligeramente en la entrada del compresor. Este
ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo
cuando entra al compresor. También, la línea que conecta al evaporador en el
compresor suele ser muy larga; por lo tanto, la caída de presión ocasionada por la
fricción del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden
ser muy significativas.
El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y,
por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de comprensión real incluirá efectos
de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que
puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por
consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse o disminuir durante un
proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos.
En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como líquido
saturado a la presión de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta
caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el
compresor y la válvula de estrangulamiento. Además, no es fácil ejecutar el proceso
de condensación con tal precisión como para que el refrigerante sea un líquido
saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la válvula de
estrangulamiento.

Análisis de la segunda ley del ciclo refrigeración por compresión de vapor

Considere el ciclo de refrigeración por compresión de vapor que opera entre un medio
de baja temperatura a TL, y un medio de alta temperatura a TH. El COP máximo de
un ciclo de refrigeración que opera entre los límites de temperaturas de TL y TH, como
se presenta en la siguiente ecuación;

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Los ciclos de refrigeración reales no son tan eficientes como los ideales como el ciclo
de Carnot, debido a las irreversibilidades que implican. Pero la conclusión que
podemos sacar ante la anterior ecuación de que el COP es inmensamente
proporcional a la diferencia de temperaturas TH-TL es igualmente válida para ciclos
de refrigeración reales.
El objetivo de un análisis de la segunda ley de un sistema de refrigeración es
determinar los componentes que se pueden beneficiar al máximo por mejoras. Esto
se realiza identificando las ubicaciones con mayor destrucción de exergía o eficiencia
de la segunda ley. La destrucción de energía en un componente se puede determinar
directamente a partir de un balance de exergía o, indirectamente, calculando primero
la generación de entropía y usando la relación

donde TO es la temperatura ambiental ( el estado muerto). Para un refrigerador, TO

es usualmente la temperatura del medio alta temperatura TH (para una bomba
térmica, es TL)

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Selección del refrigerante adecuado
Cuando se diseña un sistema de refrigeración, existen varios refrigerantes que
pueden elegirse, como clorofluorocarbonos (CFC), amoniaco, hidrocarburos(
propano, etano, etileno, etc.). dióxido de carbono, aire (en el acondicionamiento de
aire de aviones) e incluso agua (en aplicaciones arriba del punto de congelación). Una
adecuada elección del refrigerante depende de la situación específica. De éstos, los
refrigerantes tales como R-11, R-12, R-22, R-134a y R-502 abarcan 90 por ciento del
mercado en Estados Unidos.
El éter etílico fue el primer refrigerante utilizando para el comercio de sistemas por
compresión de vapor en 1850, y le siguieron otros como amoniaco, dióxido de
carbono, cloruro etílico, dióxido de azufre, butano, etano, propano, isobutano,
gasolina y los clorofluorocarbonos, entre otros.

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Los sectores industriales y del gran comercio estaban muy satisfechos con el
amoniaco, y aún lo están, aunque este compuesto es tóxico. Las ventajas del
amoniaco sobre otros refrigerantes son su bajo costo, altos COP (y en consecuencia,
menores costos de energía), sus propiedades termodinámicas y de transporte más
favorable y, por ello, coeficientes de transferencia de calor más altos (requiere
intercambiadores de calor más pequeños y de menor costo), mayor detectabilidad en
el caso de una fuga y ningún efecto en la capa de ozono.
De varios CFC desarrollados, el equipo de investigación eligió al R-12 como el
refrigerante más adecuado para uso comercial y le dio a la familia de CFC el nombre
comercial ´´Freón´´. La producción comercial de R-11 y R-12 se inició en 1931 en una
compañía formada por General Motors y E. I. du Pont de Nemours and Co., Inc. La
versatilidad y el bajo costo de los CFC hizo que fueran preferidos.

Sistemas de bombas de calor

Las bombas de calor resultan más costosas que otros sistemas de calefacción cuando
se adquieren y se instalan, pero a la larga ahorran dinero en algunas áreas porque
reducen el costo de calefacción.
Las fuentes de energía más común para las bombas de calor son el atmosférico
(sistemas aire- aire), aunque también se usan el aire y el suelo. El principal problema
con los sistemas de calor que utilizan aire como fuente es la formación de escarcha,
que se muestra climas húmedos cuando la temperatura desciende por debajo de una
temperatura de 2 a 5 ºC.
Las bombas de calor y los acondicionadores de aire tienen los mismos componentes
mecánicos. Por consiguiente, no resulta económico tener sistemas separados para
cubrir requerimientos de calefacción y enfriamiento de edificios.

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Un sistemas puede usarse como una bomba de calor invierno y con acondicionador
de aire en el verano. Esto se consigue al añadir una válvula inversora en el ciclo como
se muestra en la figura 11-11. Como resultado de esta modificación, el condensador
de la bomba de calor (ubicado en los interiores) funciona como el evaporador del
acondicionador de aire en el verano. Además, es el evaporador de la bomba de calor
(localizado en el exterior) sirve como condensador del aire.
Las bombas de calor son más competitivas en áreas que tienen una gran carga de
enfriamiento durante la temporada de frío y una carga de calefacción relativamente
pequeña durante la temporada de calor.

Sistema innovación de refrigeración por compresión de vapor

El ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor estudiado antes, es el más
utilizado y el más adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeración.
Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor ordinarios son simples,
económicos, confiables y practicantes libres de mantenimiento.
Sistemas de refrigeración en cascada: Algunas aplicaciones industriales requieren
temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que involucran es
demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor
resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de
presión en el ciclo y un pobre desempeño en un compresor reciprocante . Una manera

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de enfrentar esas situaciones consiste en efectuar el proceso de refrigeración por
etapas, es decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie.
Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual
sirve como el evaporador por el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el
ciclo inferior (ciclo B). Suponiendo que el intercambiador de calor está bien aislado y
que las energías cinética y potencial son despreciables, la transferencia de calor del
fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo
superior.

En el sistema en cascada ilustrado en la figura, los refrigerantes en ambos ciclos se

suponen iguales. No obstante, esto no es necesario ya que no se produce mezcla en

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el intercambiador de calor. Por lo tanto, los refrigerantes con características más
deseables pueden utilizarse en cada ciclo. En este caso, habría una curva de
saturación independiente para cada fluido y el diagrama T-s resultaría distinto para
uno de los ciclos.

Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas: Cuando el fluido

utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el
intercambiador de calor entre las etapas pueden sustituirse por una cámara de
mezclado (llamada cámara de vaporización instantánea), puesto que tienen mejores
características de transferencia de calor.

En este sistema, el líquido refrigerante se expande en la primera válvula de expansión

hasta la presión de la cámara de vaporización instantánea, que es la misma que la
presión entre las etapas del compresor. Parte del líquido se evapora durante este
proceso.
Sistema de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor: Algunas
aplicaciones requieren refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograrse
utilizando una válvula de estrangulamiento independiente y un comprensor por
separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes.

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Un esquema simplificado de la unidad y el diagrama T-s del ciclo se presenta en la
figura 11-16. La mayor parte de los alimentos refrigerados tiene un alto contenido de
agua y el espacio refrigerado debe mantenerse arriba del punto de congelación para
evitar el congelamiento. El comportamiento del congelador, sin embargo, se mantiene
a casi -18 °C. Por consiguiente , el refrigerante debe entrar al congelador a -25 °C
para tener una transferencia de calor a una tasa razonable en el congelador.
Licuefacción de gases: La licuefacción de gases siempre ha sido un área de la
refrigeración, pues muchos procesos científicos y de ingeniería a temperaturas
criogénicas (temperaturas por debajo de -100 °C) dependen de gases licuados.
Algunos ejemplos son la separación del oxígeno y del nitrógeno del aire, la
preparación de propulsores líquidos para cohetes, el estudio de propiedades de
materiales a bajas temperaturas, y el estudio de algunos fenómenos interesantes
como la superconductividad.
Varios ciclos, algunos complejos y otros sencillos, se utilizan con buenos resultados
en la licuefacción de gases. En seguida se analiza el ciclo Linde Hampson que se
representa de manera esquemática y en un diagrama T-s en la figura 11-17

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Ciclo de refrigeración de Gas
En esta sección, se analiza el ciclo invertido de Brayton, mejor conocido como ciclo
de refrigeración de gas. Considere el ciclo de refrigeración de gas como se muestra
en la figura, los alrededores están a temperatura subcero y el espacio refrigerado se
va mantener a TL. El gas se comprime durante el proceso 1-2. El gas a presión y
temperaturas altas en el estado 2 se enfría a presión constante hasta temperatura
subcero al rechazar el calor hacia los alrededores. Esto es seguido por proceso de
expansión en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta
temperatura 4, por último el gas frío absorbe el calor del espacio refrigerado hasta
temperatura se eleva hasta temperatura temperatura 1.

Todos los procesos recién descritos son internamente reversibles y ciclo ejecutado
en el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas. En los ciclos reales de
refrigeración de gas los procesos de compresión y expansión se desviaran de los
isentrópicos y temperatura subtres será más alta que temperatura subcero a menos
que el intercambio de calor sea infinitamente largo.
La relación de estas áreas es el COP para el ciclo, que se expresa como :

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El ciclo de refrigeración de gas se desvía del ciclo de Carnot invertido debido a que
los procesos de transferencia de calor son isotérmicos. De hecho, la temperatura del
gas varía de manera considerable durante el proceso de transferencia de calor. En
consecuencia, los ciclos de refrigeración de gas tienen COP menores respecto de los
ciclos de refrigeración por compresión de vapor o con relación al ciclo de Carnot
invertido.
A pesar de su bajo COP, los ciclos de refrigeración de gas tienen dos características
deseables: incluyen componentes simples más ligeros ( que los hacen adecuados
para el enfriamiento de aviones) y pueden incorporar regeneración (por lo que son
adecuados en la licuefacción de gases y la aplicaciones criogénicas).
Un sistema de enfriamiento de avión, que opera en un ciclo abierto, se muestra en la
siguiente figura

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El aire atmosférico se comprime por medio de compresor, se enfría mediante aire
circulante y se expande en una turbina, el aire frío que sale de la turbina es dirigido
después de la cabina.
El ciclo regenerativo de gas, se logra al insertar un intercambio de calor a contraflujo
dentro del ciclo. Sin regeneración, la temperatura de entrada más baja de la turbina
es la temperatura subcero, la temperatura de los alrededores o de cualquier otro
medio de enfriamiento. Con regeneración, el gas de alta presión se enfría aún más
hasta temperatura subcuatro de expandirse en la turbina. La disminución de la
temperatura de la entrada de la turbina reduce automáticamente la temperatura de
salida de la misma, que es la temperatura mínima en el ciclo. Es posible conseguir
temperaturas muy bajas cuando este proceso se repite.

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Sistemas de refrigeración por absorción
Otra forma de refrigeración que tiene un atractivo económico cuando se tiene una
fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200 °C, es la
refrigeración por absorción. Algunos ejemplos de fuentes de energía térmica barata
incluyen la energía geotérmica, la solar, el calor residual de centrales de cogeneración
o de vapor de proceso, e incluso el gas natural cuando está disponible a un precio
relativamente bajo.
Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la
absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración
por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco
(NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte.
Para comprender los principios básicos que implican la refrigeración por absorción,
se examina el sistema NH3-H2O que se muestra en la figura 11-23. La máquina de
refrigeración de amoniaco-agua fue patentada por el francés Ferdinand Carre 1859.
El vapor de amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y
tiene una reacción química con el agua para formar NH3 . H2O. Esta es una reacción
exotérmica; por ello el calor se libera durante este proceso. La cantidad de NH3 que
se puede disolver en H2O es inversamente proporcional a la temperatura. Por
consiguiente, es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más
baja posible y, por ende, para maximizar la cantidad de NH3 disuelto en el agua. La
solución líquida NH3 + H2O, que es rica en HH3, se bombea luego al generador.

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Los sistemas de refrigeración por absorción son mucho más costosos que los
sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son más complejos y ocupan más
espacio, son mucho menos eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamientos
mucho más grandes para liberar el calor residual, y son más difíciles en
mantenimiento dado que son pocos comunes. Así, los sistemas de refrigeración por
absorción deberían considerarse sólo cuando el costo unitario de la energía térmica
sea bajo y se proyecte permanecer bajo en comparación con la electricidad. Los
sistemas de refrigeración por absorción se utilizan principalmente en grandes
instalaciones comerciales e industriales.
El COP de sistema de refrigeración por adsorción se define como

El COP de un sistema de refrigeración por absorción se determina suponiendo que el

ciclo completo es totalmente reversible ( es decir, el ciclo no incluye irreversibilidades

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ni ninguna transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura). El
sistema de refrigeración sería reversible si el calor de la fuente (Qgenerador)se
transfiriera a una máquina térmica de Carnot y la salida de trabajo de esta máquina
térmica. Entonces, el COP total de un sistema de refrigeracion por absorcion en
condiciones reversibles, se muestra en la siguiente figura:

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Conclusiones
1. En el uso de la termodinámica los ciclos de refrigeración ayudan a mejorar la
evaluación de los sistemas, es importante mencionar el ciclo inverso de Carnot
el cual es el modelo perfecto del ciclo de refrigeración por compresión de vapor
más eficiente que opera entre dos temperaturas y que a su vez constituye un
estándar de comparación con los ciclos reales de refrigeración, además consta
de dos procesos isotérmicos (DA-CB) y dos procesos isentrópicos (DC-AB).
2. Por medio de la investigación de los diferentes sistemas de refrigeración
representan diferentes costos de instalación y los costos que se pueden
ahorrar, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor ordinarios son
simples, económicos, confiables y practicantes libres de mantenimiento a
diferencia de los sistemas de refrigeración por absorción que son mucho más
costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de vapor ya que
son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos eficientes, por
lo tanto requieren torres de enfriamientos mucho más grandes para liberar el
calor residual, y son más difíciles en mantenimiento dado que son pocos
comunes.
3. La utilización del vapor es sumamente importante en la industria debido a que
como conductor de energía térmica se aplica en procesos donde se requiere
calentamiento de productos específicos, esto se logra haciendo pasar una
cantidad determinada de vapor a las condiciones deseadas a través de
intercambiadores de calor, el vapor transfiere entonces parte de su energía
térmica al fluido que pasa del otro lado de las paredes del intercambiador de
calor. Una vez que el vapor ha cedido su energía en este proceso, parte de él
se condensa, volviendo al estado líquido.

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Referencia bibliográficas
Cengel Y., Boles M. (2015). Termodinámica.McGraw -Hill education
https://www.academia.edu/33081886/Termodin%C3%A1mica_8va_Edicion_yunes_cengel

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