Apèndix

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ESTADO 1ESTADO 2

ESTADO 3

ESTADO 4

ESTADO 5

h2 = 4249 [kJ/kg]

T2 = 298 [K]

P2 = 10130 [kPa]

h1 = 4198 [kJ/kg]

T1 = 298 [K]

P1 = 101,3 [kPa]

h3 = 942,4 [kJ/kg]

T3 = 63,73 [K]

P3 = 10130 [kPa]

h4 = 942,4 [kJ/kg]

T4 = 20,39 [K]

P4 = 101,3 [kPa]

h5 = 716,8 [kJ/kg]

T5 = 20,39 [K]

P5 = 101,3 [kPa]

COP = 0,009151y = 0,01121

epsilon = 0,95

C = 0,9

ESTADO 1: Entrada al compresor

P1 = 101,3 [kPa]

T1 = 298 [K]

h1 = h 'Hydrogen' ; T = T1 ; P = P1

s1 = s 'Hydrogen' ; T = T1 ; P = P1

ESTADO 2: Salida del compresor y entrada intercambiador


T2 = 298 [K]

P2 = 10130 [kPa]

h2 = h 'Hydrogen' ; T = T2 ; P = P2


ESTADO 3: Salida del intercambiador y entrada vlvula de expansin

P3 = 10130 [kPa]

= 0,95

h3 = h2 h1 h5


T3 = T 'Hydrogen' ; h = h3 ; P = P3

ESTADO 4: Salida de la vlvula de expansin y entrada al depsito

P4 = 101,3 [kPa]

h4 = h3

s4 = s 'Hydrogen' ; T = T4 ; x = 1 y

T4 = T5

PRODUCCIN:

C = 0,9

hf = Enthalpyfusion 'Hydrogen'

y = C h2 h1h1 hf

ESTADO 5: Salida de vapor del depsito para recomprimir

T5 = T 'Hydrogen' ; h = h5 ; P = P5

P5 = 101,3 [kPa]


h5 = h 'Hydrogen' ; x = 1 ; P = P5

s5 = s 'Hydrogen' ; x = 1 ; T = T5

COP = h2 h1

T1 s1 s2 h2 h1

T1 = T1

T2 = T2

T3 = T3

T4 = T4

T5 = T5

T6 = T1

s1 = s1

s2 = s2

s3 = s3

s4 = s4

s5 = s5

s6 = s1

SOLUTIONUnit Settings: [kJ]/[K]/[kPa]/[kg]/[degrees]COP = 0,009151 = 0,95 C = 0,9 h1 = 4198 [kJ/kg]h2 = 4249 [kJ/kg] h3 = 942,4 [kJ/kg]h4 = 942,4 [kJ/kg] h5 = 716,8 [kJ/kg]hf = 59,53 [kJ/kg] P1 = 101,3 [kPa]P2 = 10130 [kPa] P3 = 10130 [kPa]P4 = 101,3 [kPa] P5 = 101,3 [kPa]s1 = 70,41 [kJ/kg-K] s2 = 51,34 [kJ/kg-K]s3 = 29,58 [kJ/kg-K] s4 = 38,82 [kJ/kg-K]s5 = 39,07 [kJ/kg-K] s6 = 70,41 [kJ/kg-K]s1 = 70,41 [kJ/kg-K] s2 = 51,34 [kJ/kg-K]s3 = 29,58 [kJ/kg] s4 = 38,82 [kJ/kg]


s5 = 39,07 [kJ/kg] T1 = 298 [K]T2 = 298 [K] T3 = 63,73 [K]T4 = 20,39 [K] T5 = 20,39 [K]T6 = 298 [K] T1 = 298 [K]T2 = 298 [K] T3 = 63,73 [K]T4 = 20,39 [K] T5 = 20,39 [K]y = 0,01121

20 30 40 50 60 70 800

50

100

150

200

250

300

s [kJ/kg-K]

T [K

]

1000 kPa

600 kPa

310 kPa

140 kPa 0,2 0,4 0,6 0,8

0,0

27

0,0

86

0,1

5

0,2

6

0,4

7

0,8

3 m

3/kg

Hydrogen

File:CICLO LINDE.EES 14/06/2010 21:48:24 Page 1EES Ver. 7.211: #434: For use only by Kwangil Kim of Samsung Electronics Co.

Modelado de un ciclo Linde ideal, utiliza nitrogeno para preenfriar y expandir mediante una valvula J-T para la licuefaccinde Hidrgeno. Para un flujo de 1mol/s de n-H2 a travs del compresor, asumiendo que no hay intercambio de calor con el medio.

Estado 0: Entrada del hidrogeno al compresor. Etapa de obtencin y acondicionamiento.

T0 = ConvertTemp C ; K ; 20

P0 = 1 [atm] 101325 Pa

atm

h0 = h 'Hydrogen' ; T =T0 ; P =P0

s0 = s 'Hydrogen' ; T =T0 ; P =P0

Estado 1: El hidrogeno entra en condiciones T1 y P1, despues de una etapa de obtencin y acondicionamiento.

H2


P1 = 100 [atm] 101325 Pa

atm



m = 1 [kg/s]

m*h3=(m-mf)*h4+mf*hf

Estado 2:

P2 = 100 [atm] 101325 Pa

atm

T2 = 64 [K]



Estado 3: Salida del intercambiador inundado de N2

Fluido de trabajo : H2

T3 = T 'Hydrogen' ; P =P3 ; h =h3

P3 = 100 [atm] 101325 Pa

atm


h3 = h2 N2 hout;N2 hin;N2

N2 = 0,99

Proceso 3-4 : intercambio isotermo en intercambiador a contraflujo


Estado 4:

T4 = T 'Hydrogen' ; P =P4 ; h =h4

P4 = 1 [atm] 101325 Pa

atm

h4 = h3 h5 h0

s4 = s 'Hydrogen' ; T =T4 ; h =h4

= 0,99

Estado 5: Retorno al grupo compresor.


P5 = 1 [atm] 101325 Pa

atm



Estado 6: Intercambiador inundado de N2, el hidrogeno a 293 K (20C) provoca la evaporacion del N2

Fuido de trabajo: N2 liquido

T6 = ConvertTemp C ; K ; 209,15

P6 = 0,144 [atm] 101325 Pa

atm

h6 = h 'Nitrogen' ; T =T6 ; P =P6

Estado Nin2 : Entrada de N2 de reposicion

Tin;N2 = ConvertTemp C ; K ; 185,15

Pin;N2 = 3 [atm] 101325 Pa

atm

hin;N2 = h 'Nitrogen' ; T =Tin;N2 ; P =Pin;N2

Estado Nout2 : salida de N2 en forma gaseosa

Tout;N2 = ConvertTemp C ; K ; 15,15

Pout;N2 = 0,144 [atm] 101325 Pa

atm

hout;N2 = h 'Nitrogen' ; T =Tout;N2 ; P =Pout;N2

Estado 7: Intercambiador inundado de N2, el hidrogeno a 293 K (20C) provoca la evaporacion del N2

Fluido de trabajo : N2 en estado vapor

La entalpia que ha perdido el H2 es la que ha ganado el N2


Haciendo un balance de masas entre el intercambiador inundado, la valvula JT y el deposito de liquido, se asume que delgrupo decompresion sale el H2 sin perdida de calor: m*h3=(m-mf)*h4+mf*hf

y = h4 h3

h4 hfH2

donde

hfH2 = Enthalpyfusion 'Hydrogen'

hfN2 = Enthalpyfusion 'Nitrogen'

Y obtenemos los Kg de hidrogeno liquido por cada kilogramo de nitrogeno comprimido

Que cantidad de nitrogeno liquido se consume por cada litro producido de hidrogeno liquido? para obtenerlo se realiza unbalance de masas alrededor de los dos intercambiadores 'calientes' y del bao en nitrogeno liquido

h1+(z*hfN2)+(1-y)*(h4)= ---------------------> PENDIENTE

ANALISIS DE LOS DISTINTOS CAMINOS DE COMPRESIN

A) Compresin adiabatica reversible

WsA = m h0 h1 Valores reales, puesto que surgen de calculos directos con tablas JANAF

B)Compresin adiabatica e isentrpica para un gas ideal

WsB = RH T0

1 1

P1P0

1

= CPCV

CP = Cp 'H2' ; T =T0

CV = Cv 'H2' ; T =T0

RH = 8.31434 [kJ/kmole-K]

MolarMass 'H2'

Gasideal = isIdealGas 'H2'

B1)Utilizando valores reales:

WsB1 = RHnoideal T0 noideal

noideal 1 1

P1P0

noideal 1noideal

noideal = CPnoidealCVnoideal

CPnoideal = Cp 'Hydrogen' ; T =T0 ; P =P0


CVnoideal = Cv 'Hydrogen' ; T =T0 ; P =P0

RHnoideal = 8.31434 [kJ/kmole-K]

MolarMass 'Hydrogen'

= WsB1WsB

C)Compresin reversible isoterma

WsC = QcDisipado h0 h1

QcDisipado = T0 s1 s0

D)Compresin reversible isoterma para un gas ideal

WsD = RH lnP1P0

E)Compresin politrpica reversible

nE = 7 / 5 n vale 7/5 para gases diatmicos y 5/3 para gases monoatmicos

WsE = P0 V0 nE

nE 1 1

P1P0

nE 1

nE

V0 = m

h;2

h;2 = 'Hydrogen' ; T =T0 ; P =P0

s1 = s0

s2 = s1

s3 = s3

s4 = s4

s5 = s5

T1 = T0

T2 = T1

T3 = T3

T4 = T4

T5 = T5

SOLUTIONUnit Settings: [J]/[K]/[Pa]/[kg]/[degrees]


CP = 14151 [J/kg-K] CPnoideal = 14287 [J/kg-K]CV = 10027 [kJ/kg-K] CVnoideal = 10161 [J/kg-K] = 0,99 N2 = 0,99 = 1,411 noideal = 1,406 Gasideal = 1 h0 = 4,128E+06 [J/kg]h1 = 4,179E+06 [J/kg] h2 = 946552 [J/kg]h3 = 551370 h4 = 622041 h5 = 4,057E+06 [J/kg] h6 = -244098 [J/kg]hfH2 = 59526 [J/kg] hfN2 = 25345 [J/kg]hin,N2 = -409267 [J/kg] hout,N2 = -10092 [J/kg]m = 1 [kg/s] nE = 1,4 = 0,9927 P0 = 101325 [Pa]P1 = 1,013E+07 [Pa] P2 = 1,013E+07 P3 = 1,013E+07 [Pa] P4 = 101325 [Pa]P5 = 101325 [Pa] P6 = 14591 [Pa]Pin,N2 = 303975 [Pa] Pout,N2 = 14591 [Pa]QcDisipado = -5,592E+06 h,2 = 0,08375 [kg/m3]RH = 4,124 RHnoideal = 4,124 s0 = 70174 [J/kg-K] s1 = 51098 [J/kg-K]s2 = 29647 [J/kg-K] s3 = 21768 [J/kg-K]s4 = 34393 [J/kg-K] s5 = 69928 [J/kg-K]T0 = 293,2 [K] T1 = 293,2 [K]T2 = 64 [K] T3 = 37,69 [K]T4 = 20,39 [K] T5 = 288,2 [K]T6 = 64 [K] Tin,N2 = 88 [K]Tout,N2 = 288,3 [K] V0 = 11,94 [m3]WsA = -50316 [J/kg] WsB = -11728 [J/kg]WsB1 = -11643 [J/kg] WsC = -5,542E+06 [J/kg]WsD = 18,99 [kJ/kg] WsE = -1,154E+07 [J/kg]y = 0,1256 [kg H2 / kg comprimido]


20000 30000 40000 50000 60000 70000 800000

50

100

150

200

250

300

s [J/kg-K]

T [K

]

1000000 Pa

600000 Pa

310000 Pa

140000 Pa 0,2 0,4 0,6 0,8

0,027 0,086 0,15 0,26 0,47 0,83 m3/kg

Hydrogen

File:CICLO CLAUDE (CON CURVAS).EES 14/06/2010 22:37:28 Page 1EES Ver. 7.211: #434: For use only by Kwangil Kim of Samsung Electronics Co.

El gas de Hidrgeno se licua utilizando un ciclo Claude ideal. El gas entra en un compresor reversible isotermo a 70 Fy a 1 atm. Se comprime a 40 atm. El gas a alta presin se enfra en un intercambiador hasta los 324 R. En este punto el 50% del caudal msico se separa y se expande a traves de un expansor isentrpico y adiabtico hasta1 atm. El resto del fluido continua a travs de dos intercambiadores ms y se expande a traves de una vlvula de expansin hasta1 atm. Determinar la produccion de lquido y el trabajo por masa licuada.NOTA: Suponer que el trabajo de la expansion se utiliza en la compresion.

m = 1 [kg/s]

mT = 0,5 m

hf = Enthalpyfusion 'Nitrogen'

Se considera un rendimiento de los intercambiadores de 95%:

= 0,95

Estado 1 : Entrada del compresor

T1 = ConvertTemp F ; K ; 70

P1 = 1 [atm] 101,325 kPa

atm


s1 = s 'Nitrogen' ; T =T1 ; P =P1

Estado 2 : Salida del compresor y entrada intercambiador intermedio 1

T2 = ConvertTemp R ; K ; 324

P2 = 40 [atm] 101,325 kPa

atm



Estado 3 : Salida intercambiador intermedio 3i y entrada a turbina expansin 3T

T3 = ConvertTemp R ; K ; 324

P3 = 40 [atm] 101,325 kPa

atm



Estado 4: Entrada intercambiador intermedio 2

NOTA: El caudal msico es del 50%

T4 = 273,15 + T 'Nitrogen' ; h =h4 ; P =P4


P4 = 40 [atm] 101,325 kPa

atm


Estado 5 : Salida de los intercambiadores y entrada de vlvula de expansin

T5 = 273,15 + T 'Nitrogen' ; h =h6 ; P =P5

P5 = 40 [atm] 101,325 kPa

atm

s5 = s 'Nitrogen' ; h =h6 ; P =P5

Estado 6: Salida de vlvula de expansin

Temperatura igual que estado 5

P6 = 1 [atm] 101,325 kPa

atm

T6 = 273,15 + T 'Nitrogen' ; x =0 ; P =P6

h6 = h 'Nitrogen' ; P =P6 ; x =0

s6 = s 'Nitrogen' ; x =0 ; P =P6

Estado 7T: Salida de la turbina siguiendo un proceso isentrpico

T7 = 273,15 + T 'Nitrogen' ; s =s3 ; P =P7

P7 = 1 [atm] 101,325 kPa

atm


s7 = s3

Estado 8 : Entrada intercambiador 1

T8 = T 'Nitrogen' ; h =h8 ; P =P8

P8 = 1 [atm] 101,325 kPa

atm


Para el intercambiador 1:

h8 = h1 h3 h2


h4 = h3 h8 h7


h5 = h4 h7 h6

IMPORTANTE : Trabajo de expansin generado por la turbina:


wT = mT h3 h7

Trabajo interno realizado por la vlvula de expansin:

we = 1 mT h5 h6

la produccin resulta:

x = 0,5 m

y = h1 h2h1 hf

+ x h3 h7hf h1

w = T1 s1 s2 h1 h2 x wT

T1 = ConvertTemp K ; C ; T1









s1 = s1

s2 = s2

s3 = s3

s4 = s4

s5 = s5

s6 = s6

s7 = s7

s8 = s8

s9 = s1

SOLUTIONUnit Settings: [kJ]/[C]/[kPa]/[kg]/[degrees] = 0,95 h1 = 283 [kJ/kg]h2 = 159,5 [kJ/kg] h3 = 159,5 [kJ/kg]


h4 = 21,83 [kJ/kg] h5 = -519,3 [kJ/kg]h6 = -431,5 [kJ/kg] h7 = 138,1 [kJ/kg]h8 = 283 [kJ/kg] hf = 25,35 [kJ/kg]m = 1 [kg/s] mT = 0,5 [kg/s]P1 = 101,3 [kPa] P2 = 4053 [kPa]P3 = 4053 [kPa] P4 = 4053 [kPa]P5 = 4053 [kPa] P6 = 101,3 [kPa]P7 = 101,3 [kPa] P8 = 101,3 [kPa]s1 = 0,675 [kJ/kg-K] s2 = -0,6676 [kJ/kg-K]s3 = -0,6676 [kJ/kg-K] s4 = -0,3669 [kJ/kg-K]s5 = -4,066 [kJ/kg-K] s6 = -4,003 [kJ/kg-K]s7 = -0,6676 [kJ/kg-K] s8 = 0,675 [kJ/kg-K]T1 = 294,3 [K] T2 = 180 [K]T3 = 180 [K] T4 = 325,7 [K]T5 = 75,96 [K] T6 = 77,35 [K]T7 = 157,3 [K] T8 = 294,3 [K]w = 266,2 [kW/kg] we = -43,89 [kW/kg]wT = 10,72 [kW/kg] x = 0,5 [kg/s]y = 0,4377

INSTALACIN CRIOGNICA

DE BAJA CAPACIDAD INFORME DEL PROYECTO DE FIN DE CARRERA 1

Abraham Fernndez Del Rey

Ingenieria Tecnica Industrial Esp. Mecanica

1. OBJETIVO

El objetivo del presente proyecto es elaborar una instalacin de frio que trabaja en los rangos de temperatura ms alejados de los valores convencionales. Su funcin en un planteamiento inicial es licuar gases permanentes. Pero su objetivo principal, y el que no debe perderse de vista es el de desarrollar una instalacin criognica de baja capacidad a un mnimo coste.

Con este objetivo en el punto de mira, buscaremos el acercar los materiales y elementos ms convencionales a las temperaturas de fusin de los denominados gases permanentes. Para ello tendremos que ser muy cuidadoso, pues todas las propiedades que a temperatura ambiente nos son familiares, comienzan a tener matices. Tanto en propiedades de fluidos, como de slidos. (Problemas de adsorcin, fatiga..)

Merece una mencin especial las propiedades de transmisin de calor y la formulacin de las leyes que lo rigen.

Uno de los puntos ms delicados, y enlazado con el siguiente, ser la eleccin de la tcnica. Todas las tcnicas que conocemos actualmente, y nos son convencionales, resultan de largo insuficientes para los objetivos que perseguimos. Realizaremos un pequeo estudio de todas ellas y justificaremos la eleccin.

Tambin explotar al mximo las cualidades de los sistemas y tcnicas de produccin, pues tambin hemos de optimizar el sistema energticamente.

Con todo lo anteriormente mencionado, se obtendr una pequea instalacin, ejecutable en la medida de lo posible y limitada solo por la falta de experimentacin en ella. Y como se dice al comienzo de esta explicacin, a un coste mnimo.

2. MOTIVACIN

En la actualidad, puede dar la sensacin de estar todo descubierto en ciertas reas tcnicas. El motivo de este proyecto es mostrar un rea de la termotecnia muy desconocida y poco extendida.

Rara es la facultad en la que se muestra, siquiera por encima, alguna pincelada de esta ingeniera sin mercado, la ingeniera criognica.

Con la revolucin del hidrogeno cada vez ms cerca, la necesidad de ingenieros con conocimientos capaces de licuar gases permanentes se hace patente.

Se debe tener presente que es una rama de la mecnica, surgida hace (relativamente) muy poco del laboratorio. No es objeto de este proyecto, colmar las pginas de numerosos estudios y formulas, sino ejecutar una instalacin concreta que represente una aplicacin criognica de forma austera sin dejar de lado el estado del arte.

Con las posibilidades existentes ahora mismo en el mercado, se buscar llegar a ejecutar la instalacin, ya que el fin mximo es ese, obtener una aplicacin real que facilite la comprensin, aprendizaje y desarrollo de las tcnicas criognicas disponibles en la actualidad.

3. ORDENES DE MAGNITUD

A la hora de ejecutar una instalacin de produccin de frio, la eleccin del refrigerante suele venir determinado por la aplicacin. Segn las condiciones de temperatura en el evaporador y condensador, y las presiones de trabajo, as se elige un refrigerante u otro.

Hasta dnde se puede llegar, en rdenes de temperatura, utilizando ciclos de compresin?

Se comenzara explicando, sin entrar en mucha profundidad los siguientes conceptos:

Punto triple, es el punto en el diagrama de fase, en el que pueden coexistir los estados slido, lquido y gaseoso en equilibrio.

Viene definido por una temperatura y una presin de vapor.

La presin de vapor (o presin de saturacin) es la presin a una temperatura dada, en la que podemos encontrar en equilibrio lquido y vapor. Es una propiedad intensiva, es decir, es independiente de la masa, mientras ambas se encuentren en equilibrio (sistema cerrado).

El punto crtico, es aquel en el que la densidad de liquido y vapor se iguala?. La sustancia se encuentra por encima de la temperatura crtica y presin critica.

Un fluido supercrtico tiene propiedades hibridas entre un liquido y un gas. Se difunde como un gas, es decir, tiene la tendencia a ocupar todo el volumen de su continente. Capacidad de disolucin como un lquido.

La densidad de una sustancia, est ntimamente ligada a la temperatura y la presin de dicha sustancia. Si bien la tendencia es que al aumentar la presin, aumenta la densidad y al aumentar la temperatura la densidad decrece, hay excepciones.

Pequeos cambios de presin y temperaturas supercrticas, producen grandes cambios de densidad.

Cuando se produce un cambio de estado, este va asociado a un cambio brusco de entalpia y densidad. Por encima del punto crtico, no se produce. Es decir, aumenta la presin pero no se da cambio de estado. No hay licuefaccin al presurizar, ni evaporacin al calentar.

En resumen:

No existe interfase gas-liquido La compresibilidad isoterma, es infinitamente positiva. El coeficiente de expansin trmica es infinito y positivo. La entalpia de vaporizacin es 0.

Si la densidad se mantiene constante e igual a la densidad critica, la capacidad calorfica a volumen constante tiende a infinito.

La densidad por encima del punto crtico, depende de la presin y temperatura, pero realmente es ms cercana a los lquidos que a los gases. (La densidad aumenta si lo hace la presin a temperatura constante).

La viscosidad es mucho ms baja que la de los lquidos, lo hidrodinmicamente es favorable.

Alta penetrabilidad a travs slidos porosos.

Mayofavor

La inlimita

Ilustr

Ilustr

ores coeficienrable.

ntroduccin dantes en la u

racin 1. Diag

racin 2.Regi

nte de difusi

de los concetilizacin de

grama de Fase

n de trabajo

in que en l

eptos punto gases para la

e y estados se

o posible de ac

quidos, por

triple y puna produccin

egn zona

cuerdo a las l

lo que la tra

nto crtico, vin de fro a tem

limitaciones e

ansferencia d

iene motivadmperaturas c

expresadas

de materia e

da porque socriognicas.

es ms

on los

Grfico 1. Ordenes de magnitud de refrigerantes segn temperatura

206,18

146,95

27325323321319317315313311393735333137

27476787

107127147167187207227247267287307327347367387

R

7

1

8

R

1

1

3

R

1

1

R

1

2

3

R

2

1

R

6

0

0

R

1

1

4

R

6

0

0

a

R

7

1

7

R

C

3

1

8

R

4

0

6

A

R

1

5

2

a

R

1

2

R

4

0

1

C

R

4

0

1

A

R

4

0

9

A

R

5

0

0

R

4

0

1

B

R

1

3

4

a

R

2

9

0

R

2

2

R

1

2

7

0

R

4

0

2

B

R

4

0

7

C

R

4

0

8

A

R

4

0

7

A

R

5

0

2

R

4

0

2

A

R

4

0

7

B

R

4

1

0

A

R

4

0

4

A

R

4

1

0

B

R

5

0

7

R

1

7

0

R

7

4

4

R

1

3

R

2

3

R

5

0

8

A

R

1

1

5

0

R

4

0

2

C

R

1

4

R

5

0

R

7

3

2

R

7

4

0

R

7

2

9

R

7

2

8

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

A

(

C

)

DENOMINACINREFRIGERANTE

TEMPERATURASDETRABAJOPORREFRIGERANTE

Tabla 1. Resumen de propiedades para refrigerantes comunes

4. INDICE Captulo 1: Descripcin, objetivo y motivacin

1.1. Objetivo 1.2. Motivacin 1.3. Descripcin

Captulo 2: Baja temperatura

2.1. Nomenclatura y variables 2.2. Fundamentos

2.2.1. Marco Histrico

2.2.1.1. Siglo XVII 2.2.1.2. Siglo XVIII 2.2.1.3. Siglo XIX 2.2.1.4. Siglo XX 2.2.1.5. Siglo XXI

2.2.2. Conceptos previos 2.2.2.1. Breve introduccin a los fundamentos termodinmicos 2.2.2.2. Sistemas termodinmicos

2.2.2.2.1. Tipologa de los sistemas termodinmicos 2.2.2.2.2. Principios termodinmicos

2.2.2.2.2.1. Principio cero de la termodinmica 2.2.2.2.2.2. Primer principio de la termodinmica 2.2.2.2.2.3. Segundo principio de la termodinmica 2.2.2.2.2.4. Tercer principio de la termodinmica

2.2.2.3. Propiedades de una sustancia pura, simple y compresible 2.2.2.3.1. Principio de estado 2.2.2.3.2. Relacin p-v-T 2.2.2.3.3. Diagramas de propiedades

2.2.3. Aplicaciones actuales 2.2.3.1. Aplicaciones espaciales 2.2.3.2. Aplicaciones medicas 2.2.3.3. Aplicaciones industriales 2.2.3.4. Aplicaciones fsicas y de investigacin

2.2.4. Propiedades de las sustancias 2.2.4.1. Conceptos fundamentales 2.2.4.2. Propiedades en lquidos y slidos 2.2.4.3. Propiedades en gases ideales 2.2.4.4. Relaciones termodinmicas para sistemas de baja temperatura

2.2.4.4.1. Expansin Joule - Thompson 2.2.4.5. Fluidos criognicos o Gases Permanentes

2.2.4.5.1. Oxigeno 2.2.4.5.2. Nitrgeno

2.2.4.5.3. Argn 2.2.4.5.4. Hidrogeno 2.2.4.5.5. Helio 2.2.4.5.6. Nen 2.2.4.5.7. Aire 2.2.4.5.8. Flor 2.2.4.5.9. Metano

2.2.4.6. Refrigerantes criognicos 2.2.4.6.1. Freones tradicionales 2.2.4.6.2. Freones criognicos

Captulo 3: Transmisin de calor

3.1. Nomenclatura y variables 3.2. Propiedades de transferencia de calor en mbito criognico

3.2.1. Calor especifico 3.2.1.1. Gases 3.2.1.2. Lquidos 3.2.1.3. Slidos

3.2.2. Conductividad 3.2.2.1. Gases 3.2.2.2. Lquidos 3.2.2.3. Slidos

3.2.3. Conduccin 3.2.4. Conveccin

3.2.5. Transferencia en flujos bifsicos

3.2.6. Radiacin 3.2.7. Aislamiento criognico

3.2.7.1. Expanded close-cell Foam (ECCF) 3.2.7.2. Gas-filled Powders (GFP) 3.2.7.3. Evacuated Powders (EP) 3.2.7.4. Opacified Powder Insulation (OPI) 3.2.7.5. Microsphere Insulation (MI) 3.2.7.6. Multilayer insulation (MLI)

3.2.8. Intercambiadores de calor criognicos

3.2.8.1. Tipologa 3.2.8.1.1. Intercambiadores tubulares 3.2.8.1.2. Intercambiadores Giauque-Hampson 3.2.8.1.3. Intercambiadores Plate-Fin 3.2.8.1.4. Intercambiadores Perforated-Plate 3.2.8.1.5. Intercambiadores de metales sinterizados

3.2.8.2. Regeneradores

Captulo 4: Propiedades en el mbito criognico

4.1. Nomenclatura y variables 4.2. Propiedades fsicas y mecnicas

4.3. Flujo bifsico

4.4. Propiedades por debajo de 4K

Captulo 5: Ciclos de produccin de frio

5.1. Nomenclatura y variables 5.2. Ciclos de refrigeracin estndar

5.2.1. Ciclo ideal de Carnot 5.2.2. Ciclo real de compresin simple 5.2.3. Variaciones sobre el ciclo simple 5.2.4. Compresin mltiple

5.2.4.1. Compresin mltiple con inyeccin directa 5.2.4.2. Compresin mltiple con inyeccin indirecta 5.2.4.3. Ciclo mltiple en cascada

5.2.5. Otros ciclos de refrigeracin estndar

5.3. Ciclos de refrigeracin criognicos

5.3.1. Ciclos abiertos 5.3.1.1. Expansin Joules-Thomson

5.3.2. Ciclos cerrados 5.3.2.1. Ciclo Claude 5.3.2.2. Ciclo Claude Multietapa (Dual Pressure Claude) 5.3.2.3. Ciclo Ficket-Jackobs 5.3.2.4. Ciclo Gifford-McMahon 5.3.2.5. Ciclo Hirn 5.3.2.6. Ciclo Humpfrey 5.3.2.7. Ciclo Siemens 5.3.2.8. Ciclo Hampson-Linde 5.3.2.9. Ciclo Linde Multietapa (Dual Pressure Linde Cycle) 5.3.2.10. Ciclo Heylandt 5.3.2.11. Ciclo Kleemenko

Captulo 6: Equipos tipo para la produccin criognica de baja capacidad

6.1. Equipos de produccin de nitrgeno/oxigeno 6.2. Equipos de produccin de metano 6.3. Equipos de produccin de hidrogeno 6.4. Equipos de produccin de helio (*) 6.5. Columnas de destilacin

6.6. Coldbox de separacin para aire 6.7. Almacenamiento 6.8. Valvulera

Captulo 7: Calculo de cargas

7.1. Descripcin del equipo 7.2. Calculo de flujo msico y cargas 7.3. Diseo preliminar y concepto 7.4. Dimensionado de los elementos de compresin 7.5. Dimensionado de los intercambiadores de calor 7.6. Dimensionado de los dispositivos de expansin 7.7. Dimensionado de las lneas de transferencia 7.8. Dimensionado del almacenaje 7.9. Descripcin del sistema de control e instrumentacin 7.10. Elementos de seguridad

Captulo 8: Anlisis energtico

8.1. Comparativa de consumos segn mtodo 8.2. Coste energtico y litro segn tamao de instalacin 8.3. Optimizacin energtica del sistema

Captulo 9: Anlisis econmico

9.1. Inventario de componentes del sistema 9.2. Valoracin econmica del sistema

Captulo 10: Conclusiones Captulo 11: Bibliografa

11.1. Principios bsicos 11.2. Ingeniera Criognica 11.3. Compresores criognicos 11.4. Fluidos criognicos 11.5. Expansores 11.6. Intercambio y transferencia de calor 11.7. Ingeniera fluido mecnica 11.8. Propiedades de materiales a baja temperatura 11.9. Instrumentacin a baja temperatura 11.10. Lneas de transferencia 11.11. Flujo bifsico 11.12. Valvulera 11.13. Aislamiento 11.14. Compresores 11.15. Elementos mecnicos

11.15.1. Rodamientos 11.15.2. Juntas 11.15.3. Lubricacin

11.16. Seguridad 11.17. Artculos y Papers

5. DESCRIPCIN La instalacin que se lleva a cabo en este proyecto, es una instalacin de baja capacidad enfocada a la licuefaccin de gases permanentes. Se ha elegido el nitrgeno por ser el gas que marca la separacin entre la refrigeracin convencional y la criognica.

En una primera parte del proyecto se revisa los conceptos de termodinmica y termotecnia. Como se comprobar a lo largo de estos primeros captulos, las propiedades que se conocen y utilizan con normalidad en el mbito de la refrigeracin convencional, se vuelven extraas y nuevas para el mbito criognico. Por lo tanto, se debe repasar los conceptos para disear una instalacin de frio y contemplar las matizaciones necesarias. En una segunda parte, se realiza el anlisis de una instalacin tipo. Existen sistemas criognicos de multitud de tamaos. Para este proyecto se elige una instalacin como las utilizadas por los pioneros de esta rama. Una instalacin que no debe ser grande y que debe cumplir con un estricto criterio de produccin para una baja demanda. Por lo tanto, su capacidad no es tan exigente como pudiera ser la de un sistema crtico para hospitales o investigacin fsica. Se ha prescindido de la robustez necesaria en aceleradores de partculas. No habr redundancia de sistemas, ni costosos sistemas de

seguridad. Tan solo lo estricto y necesario para el funcionamiento correcto y adecuado de la instalacin.

En cuanto a los componentes que constituyen esta instalacin, dependen estrechamente del mtodo de produccin elegido. Y a su vez, el mtodo es dependiente del tipo de ciclo. Si el ciclo es abierto, la tipologa de ciclos es limitada y adems, se aade la problemtica del almacenamiento. Si el ciclo es cerrado, el abanico de posibilidades es muy amplio. En la ilustracin numero 6 se muestra un mapa de mtodos segn sean de ciclo abierto o cerrado.

Como se ha dicho en la exposicin de objetivos, la finalidad de esta instalacin es producir nitrgeno lquido, que pueda ser utilizado en investigacin. Este es un punto de partida, un mnimo.

A continuacin, se ha realizado un diagrama de flujo, para enmarcar las posibilidades del propio proyecto.

Ilustracin 3. Diagrama T-s de un ciclo criognico con regeneracin

Tngase presente que se est limitado por la tcnica, en cuanto que el proyecto debe ser una instalacin ejecutable en la medida de lo posible o de lo contrario se tratara de una instalacin experimental. Estamos limitados por los conocimientos ingenieriles que de esta materia se dispone. Al no disponer de una literatura de tcnica aplicada excesivamente extensa ni actualizada, hemos de recurrir a literatura reciente y con poca experiencia, en comparacin con el frio industrial.

Estamos limitados tambin por la eficiencia energtica. Cuando se realiza una primera aproximacin a la materia, se puede observar que un crio-refrigerador de baja capacidad, rara vez pasa de los 10 W de potencia frigorfica. A presiones y temperaturas tan bajas, los flujos msicos que trasiega el compresor son muy pequeos. Por lo tanto, el COP se desmorona hasta cifras que rondan el 4% de la eficiencia de un ciclo de Carnot.

Se debe adaptar la costumbre con las nuevas magnitudes. A continuacin podemos ver una representacin de la potencia en vatios (prstese especial atencin a las unidades, hablamos de vatios, NO de kilowatios) en contraposicin a la relacin entre la eficiencia de un ciclo de Carnot y el mtodo elegido:

Ilustracin 4. Grafico potencia - relacin de eficiencias

INSTALACIONCRIOGENICA

CAPACIDADELECCINAPLICACIONES

ELECCIN DE APLICACIONES

ALTA CAPACIDAD

BAJACAPACIDAD

APLICACIN REFRIGERACION DE SISTEMAS

LICUEFACCIN DE GASES

CICLOCERRADO

CICLO ABIERTO

APLICACINFUERA DEL AMBITO DEL PROYECTO

REFRIGERACIN DE SISTEMAS

CON ALTA DEMANDA

FUERA DEL AMBITO DEL PROYECTO

REFRIGERACIN DE SISTEMAS

CRTICOS

DESARROLLO DEL PROYECTO

PEQUEO GRAN SISTEMA

(FRONTERA ENTRE ALTA Y BAJA CAPACIDAD)

ELECCIN GASVALORACIN DE

PROBLEMTICA Y REQUISITOS

NITROGENOY

OTROSAIRE

NECESARIA COLUMNA

DESTILACION

VALORAR SI ENTRA DENTRO DEL AMBITO

DEL PROYECTO

NO

SI


SI ES FACTIBLE, DESARROLLO DE PROYECTO

PRIORITARIO


Ilustracin 5. Diagrama de flujo sobre la eleccin del contenido del proyecto

A la vista del anterior diagrama de flujo, vemos que se ofrece cinco posibilidades que contemplan las limitaciones establecidas:

Si se elige producir nitrgeno u otro gas permanente, la fuente ms barata es el aire atmosfrico. Una vez limpio, el aire se enfra hasta licuar. Segn el mtodo, el aire precisa de una columna de destilacin fraccionada para separar el nitrgeno del resto de componentes del aire. Por un lado es una desventaja, porque requiere de una columna de destilacin con las complicaciones que conlleva y estn fuera del mbito de este proyecto. Como ventaja se debe observar, que el nitrgeno junto al argn es el componente del aire con ms bajo punto de fusin. La energa empleada se invierte en obtener nitrgeno liquido (finalidad de la aplicacin), oxigeno liquido (fcilmente utilizable en aplicaciones de laboratorio y soldadura), Argn (creacin de atmosferas inertes en soldadura). El resto se devuelve a la atmosfera, sin ser considerado contaminante porque el balance de estos elementos se mantiene nulo.

En caso de no ser necesaria una columna de destilacin, el proyecto es factible y se desarrolla.

En caso de elegir como sujeto de la licuefaccin al aire, se debe valorar la dificultad de mantener la composicin del aire durante y despus del cambio de estado. Es frecuente que se produzca separacin de componentes por los distintos puntos de fusin.

Si la aplicacin elegida es factible, pero est en el lmite entre la alta y baja capacidad, por ejemplo, la refrigeracin de un imn para investigacin o una aplicacin laser para formacin acadmica. No es una instalacin descartable, pues la capacidad es ms alta de lo pretendido, pero es ejecutable sin excesiva dificultad aadida.

Una ultima va, es la posibilidad de utilizar un ciclo cerrado, para refrigerar un sistema sea del tipo que sea. En este caso, no se tiene porque elegir nitrgeno como refrigerante. Segn la aplicacin se puede llegar a emplear incluso metano o helio. El abanico de criogenos es amplio. No hay problema de almacenamiento y trasvase.

Haciendo una valoracin preliminar, segn la cantidad de bibliografa y conocimiento de la tcnica, y sin perder de vista que se trata de un proyecto tcnico, se puede decir que se abren dos vas: Un sistema de baja capacidad de ciclo cerrado utilizando un criogeno como el argn o helio, o un sistema de baja capacidad de ciclo abierto para produccin de nitrgeno liquido pasando por alto gran parte del clculo y desarrollo del mtodo de separacin.

A continuacin se puede ver el conjunto de mtodos disponibles:

Ilustracin 6. Clasificacin de los sistemas criogenicos de baja capacidad

6. PLANIFICACIN

6.1 PLANIFICACIN CUATRIMESTRE DE OTOO

6.2 PLANIFICACIN DEL CUATRIMESTRE DE PRIMAVERA

APENDICESCICLO LINDE SIMPLE (HIDROGENO)CICLO LINDE CON PREENFRIAMIENTO NITROGENOCICLO CLAUDE

INFORME PROYECTO FIN DE CARRERA 1 - version 01

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