UCSM TERMODINAMICA

8/16/2019 UCSM TERMODINAMICA

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Ciclos de Refrigeración

Ing. Juan Carlos Valdez Loaiza

Ingeniería Industrial

2015

-

2

AREQUIPA

-

PERÚ


2/93

Q

Objetivos

En este tema se describen los

principales métodos de producción defrío industrial (compresión), y sus ciclos

termodinámicos de funcionamiento.


3/93

-Refrigeración: Se utiliza para mantener espacios que se quieren acondicionar

a temperatura constante.

FTAT

FTBT

Wn

QL

QH

MR

- El ciclo de Refrigeración tiene la función de transferir calor de una fuente de

baja temperatura hacia una fuente de temperatura superior.

-El calor fluye en la dirección de las temperaturas decrecientes, por tanto el

proceso inverso no puede suceder por si solo, para esto se requiere dedispositivos cíclicos llamados refrigeradores o bombas de calor.

- El fluido de trabajo se llama Refrigerante.


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Cada refrigerante tiene un diagrama con sus propiedades termodinámicas.


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Compresor Turbina

Evaporador

Condensador

1

2

Procesos:

1 – 2 Compresión adiabática

reversible.

2 – 3 Rechazo reversible de

calor.

3 – 4 Expansión adiabáticareversible.

4 – 1 Absorción reversible de

Calor.

3

Medio

Caliente

THQH

4

Medio

Frió

TL

QL


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Compresor Turbina

Evaporador

Condensador

1

23

Medio

Caliente

THQH

4

Medio

Frió

TL

QL

T

S

Procesos:

1 – 2 Compresión adiabáticareversible.


calor.

3 – 4 Expansión adiabática

reversible.


Calor.


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Compresor Turbina

Evaporador

Condensador

1

23

Medio

Caliente

THQH

4

Medio

Frió

TL

QL

Procesos:

1 – 2 Compresión adiabáticareversible.


calor.

3 – 4 Expansión adiabática

reversible.


Calor.


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Problemas:

-No existe ninguna máquina compresora capaz de comprimir fluido en estadode mezcla.

-- Se limita el estado termodinámico del fluido a la entrada del compresor a

vapor saturado. Produce que el proceso de rechazo de calor ocurra a

temperatura variable, por tanto es un proceso irreversible.


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Problemas:

-No existe ninguna máquina compresora capaz de comprimir fluido enestado de mezcla.

-- Se limita el estado termodinámico del fluido a la entrada del compresor a

vapor saturado. Produce que el proceso de rechazo de calor ocurra a

temperatura variable, por tanto es un proceso irreversible.

T

S

3

41

2

QH

QL


10/93

T

S

3

41

2

QH

QL

-No se justifica el uso de una máquina expansora para la disminución de la

presión del fluido, ya que produciría una cantidad de trabajo muy pequeña.

- Se reemplaza la turbina por una válvula de expansión.

- Se utiliza un Compresor reciprocante.

Compresor Turbina

Evaporador

Condensador

1

2

3

Medio

Caliente

TH QH

4

Medi

o

Frió

TL

QL


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T

S

3

41

2

QH

QL

-No se justifica el uso de una máquina expansora para la disminución de la

presión del fluido, ya que produciría una cantidad de trabajo muy pequeña.

- Se reemplaza la turbina por una válvula de expansión.- Se utiliza un Compresor reciprocante.

Compresor

Evaporador

Condensador

1

2

3

Medio

Caliente

TH

QH

Medi

o

Frió

TL

QL

4


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Compresor

Evaporador

Condensador

1

2

3

Medio

CalienteTH

QH

Medi

o

FrióTL

QL

4

T

S

3

1

2

QH

QL4

Procesos:

1 – 2 Compresión adiabatica reversible.

2 – 3 Rechazo de Calor a Presión Constante.

3 – 4 Expansión del fluido a entalpía constante.

4 – 1 Absorción de Calor a Presión Constante


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Compresor

Evaporador

Condensador

1

2

3

Medio

CalienteTHQH

Medi

o

Frió

TL

QL

4

T

S

3

1

2

QH

QL4

- La admisión del compresor será vapor saturado seco.

- La entrada a la válvula de expansión será líquido saturado

T4 y T1 < Tamb

T3 y T2 > Tamb


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El coeficiente de utilización es una relación que permite

conocer la eficiencia de un Refrigerador o una Bomba de Calor.

Refrigerador.

L L

Hn H L

L

Q Q 1

QW Q Q1

Q 0 <

Bomba de Calor. H H

Ln H L

H

Q Q 1'

QW Q Q 1 Q

1 ’ <

Para valores fijos de TL y TH = 1

Es decir una bomba de calor siempre tendrá ≥ 1 por tanto en el

peor de los casos funcionara como un calentador de resistencia.

BeneficioCosto


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- El refrigerante esta sometido cambios de estado, de temperatura ypresión según circula a través del sistema de refrigeración

- La información sobre estos cambios para los cálculos se puede obtenerde tablas o de manera más sencilla sobre representaciones gráficas, lamás utilizada es el diagrama presión entalpía o de Mollier,

- El diagrama tiene presión (bar, atm o kPa) en el eje vertical o deordenadas y entalpía (kJKg o Kcal/kg) en el eje horizontal o de abcisas,y cada punto en el diagrama representa un estado del refrigerante


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Línea de Liquidosaturado

Línea de Vapor

saturado

Punto critico

Son las que delimitan la denominada campana. En la línea de líquido saturadosolo hay líquido al 100% (en estado de equilibrio), a la temperatura desaturación que le corresponde, de acuerdo con la presión a la que estásometido. De forma que la más ligera adición de calor provocará la apariciónde la primera burbuja.

En la línea de vapor saturado solo hay vapor al 100%, en estado de equilibrio,

de forma que la más pequeña sustracción de calor provocará la aparición deuna gota de líquido


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Temperatura

crítica

Punto critico

Punto critico: Es el punto más alto de la campana, en este punto por muchoque se incremente la presión ya no es posible condensar.

Temperatura crítica: Es la temperatura límite a la cual un gas no puede serlicuado por compresión. Por encima de esta temperatura es imposible

condensar un gas aumentando la presión.


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Zona Liquido

Liquido saturado

Punto critico

El SUBENFRIAMIENTO del líquido se representa enla zona izquierda del diagrama correspondiente allíquido más o menos subenfriado.

Un punto de esta zona representa un estado delíquido a una temperatura inferior a la desaturación.


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Zona Gas

Zona Vapor

Temperaturacrítica

Vapor saturado

Punto critico

El RECALENTAMIENTO como la compresión de los vapores se efectuará en lazona derecha del diagrama.

Un punto en esa zona representa un estado de vapor calentado tras sufrir laebullición, es decir, vapor a una temperatura superior a la de saturación


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RECALENTAMIENTO:

Es la diferencia de temperaturas existente entre la temperatura real delrefrigerante en estado vapor y la temperatura de saturación correspondiente a lapresión a la cual se halla el mismo. La primera se mide con un termómetro (temperatura termométrica ), mientras que la segunda se mide con un manómetro, y selee o bien en el mismo manómetro o, tranformándose a presión absoluta, en la tablade refrigerante, recibiendo por ello el nombre de temperatura manométrica. Ambasmediciones deben hacerse en el mismo punto del circuito, pues de lo contrario nomedirían un recalentamiento real.

SUBENFRIAMIENTO:

Es la diferencia de temperaturas existente entre la temperatura de saturacióncorrespondiente a la presión a la cual se halla el refrigerante y la temperatura real dellíquido. Como en el caso anterior se deben comparar las temperaturas manométrica ytermométrica.


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ZonaLiquido-Vapor

Liquido saturado Vapor saturado

Cuando se representa el funcionamiento de una instalación en el diagrama, veremosque la condensación y la evaporación del fluido se efectúa en el interior de lacampana, ya que en estos procesos tenemos diferentes proporciones de líquido yvapor.


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Zona Liquido

ZonaLiquido-Vapor

Zona Gas

Zona Vapor

Temperaturacrítica

Liquido saturado Vapor saturado

Punto critico


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Líneas de presiones: Las líneas horizontales corresponden a las presiones absolutas(Pre. absoluta=Pre. relativa o manométrica + Pre. atmosférica).

En el lenguaje técnico a estas líneas horizontales se les llama abcisas, y al efectuarse loscambios de estado a presión constante tanto en el condensador como en el evaporador

reciben el nombre de isóbaras.


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• Líneas de presión constante-isobaras unen puntos de igualpresión, son horizontales en el diagrama de presión-entalpía (en presiones absolutas y no relativas).

• Las unidades habituales son kPa, bar o atmósfera


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Con este dato podremos conocer cuanto calor lleva el refrigerante en la entradadel evaporador, y saber cuanto lleva en la salida, ya que solo nos vastará conrestarlos dos valores y sabremos cuanto calor ha sido capaz de absorber cadaKg de refrigerante que ha pasado por el evaporador, así como la cantidad decalor que tendrá que evacuar el condensador cuando le sumemos el

correspondiente al trabajo de compresor.

Líneas de entalpía: Son líneas verticales en las que el refrigerantetiene el mismo calor, sea cual sea su estado, reciben el nombre de

isotentálpicas. En el SI las unidades empleadas son KJ/Kg(1Kcal/Kg = 4.18Kj/Kg ).


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Líneas de entalpía constante-isoentálpicas, unen puntos deigual entalpía, son verticales en

el diagrama de presión-entalpíaLas unidades habituales en quese mide KJ /kg o Kcal/ kg

Lo importante es la diferencia

de entalpía entre dos puntos


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El calor que se emplea en variar la temperatura del cuerpo se conoce como

CALOR SENSIBLE.

El calor que se utiliza para que se produzcan los cambios de estado (sólido,líquido o gaseoso) se conoce como

CALOR LATENTE.


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Líneas de volumen específico constante: Este dato nos permitiráconocer el volumen que ocupa un Kg de refrigerante que ya está totalmenteevaporado, bajo unas condiciones de trabajo específicas.

La unidad más empleada para el volumen específico es el m3/Kg.

Las líneas de volumen constante reciben el nombre de isócoras

El termino de se utiliza cuando el vapor se comprime y no se añade ni


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Líneas de entropía constante, isoentrópicas: Son líneas casi verticales algo inclinadas a la derecha que se emplean para eltrazado de los procesos de compresión.

El termino de entropía se utiliza cuando el vapor se comprime, y no se añade nilibera calor al exterior.Cuando la entropía es constante, el proceso se denomina adiabático .Es práctica común dibujar la línea de compresión a lo largo de una línea deentropía constante o paralela a ella.La unidad de medida que se utiliza es el Kj / Kg K .


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Zona LíquidoSubenfriado

Zona mezcla

líquido - vaporZona Vapor

Sobrecalentado

Resumen líneas y zonas del diagrama de Mollier

Línea de entalpía

constante


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Trazado Ciclo Ideal o Teórico de Refrigeración por Compresión de

Vapor

Hipótesis sobre el ciclo:

La vaporización y la condensación del refrigerante se realizan

a presión constante (rectas horizontales en el diagrama p-h) El refrigerante en la aspiración del compresor es vapor

saturado, se representa por un punto sobre la línea de vaporsaturado

El refrigerante a la salida del condensador es líquido saturado,se representa por un punto sobre la línea de líquido saturado


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Punto 1.- Refrigerante en estado líquido saturado apresión y temperatura de condensación, está en la

intersección de la curva de líquido saturado con laisobara de la presión de condensación

Refrigerante a la salida del condensador, antes deldispositivo de expansión


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Expansión, recta 1-2 el caudal de fluido refrigerante atraviesael dispositivo de expansión, el cual provoca un fuertedescenso, caída en la presión desde la presión de

condensación que había en el punto 1 hasta la presión deevaporación en el punto 2, parte del líquido se evapora

El refrigerante en este proceso ni absorbe ni cede calor delexterior, por tanto lo realiza a entalpía constante, que en eldiagrama se representa con una línea vertical


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Punto 2.- Refrigerante en estado de mezcla líquido-vapor a la

temperatura y presión de evaporación en un proceso deentalpía constante. Esta en el corte de la isobara de la presiónde evaporación con la línea isoentálpica trazada desde elpunto 1.

El refrigerante está detrás del dispositivo de expansión en laentrada del eva orador.


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Evaporación, recta 2-3 transformación a presión constante enque la mezcla líquido – vapor hierve, se evapora por la bajada

de presión que ha sufrido, tomando calor del recinto en elque se encuentra, a través del aire que está a una temperaturasuperior a de la evaporación. El líquido se va transformandoen vapor en el interior de los tubos del evaporador hastacompletar el proceso en el punto 3.


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Punto 3.- Refrigerante en estado vapor saturado a la

temperatura y presión de evaporación que ha incrementadosu entalpía. Esta en el corte de la línea isobara de la presiónde evaporación o baja presión con la curva de vaporsaturado

El refrigerante ha salido del evaporador y esta en la tuberíade aspiración a la entrada del compresor


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Condensación, recta 4-1 transformación isóbara en la que elgas es enfriado y condensado en el condensador a la presiónde condensación o de alta, mediante la acción de un fluidoexterior (aire o agua) que primero extrae calor sensible al gas

refrigerante, para enfriarlo hasta el punto 5 (vapor saturado) y luego extrae calor latente ya a la temperatura constante decondensación, para condensarlo eliminando todo el calor queel refrigerante había absorbido en el proceso de evaporación y compresión, para convertirlo en líquido saturado (punto 1),

cerrando el ciclo.


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Ciclo Teórico de Refrigeración por Compresión de

Vapor.

Ejemplo Trazado sobre el Diagrama de Mollier. Dibujemos sobre el diagrama p-h el ciclo de una

instalación frigorífica que trabaja con R-134a conuna temperatura de condensación de 40 º C y untemperatura de evaporación de – 1 8 º C

Emplearemos el diagrama de Mollier para el R-

134a comparándolo con la tabla de saturaciónpara el R-134a


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Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor. Parámetros

Dibujado el ciclo

a partir de lastemperaturas deevaporación ycondensación,conoceremos los

valores deentalpía de cadalos puntos detrabajo que

definen el ciclopara calcular lossiguientesparámetros:


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Ciclo de Refrigeración por Compresión de

Vapor. Parámetros Calor absorbido en el evaporador o efecto

frigorífico Caudal másico de refrigerante o fluido frigorífico Trabajo de compresión Potencia (eléctrica) del compresor Caudal volumétrico o desplazamiento volumétrico Calor a disipar en el condensador

Potencia calorífica a disipar en el condensador Coeficiente de rendimiento (C.O.P.) o coeficiente de

eficiencia energética (C.E.E.) Producción frigorífica volumétrica


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Formulas Parámetros Ciclo Teórico de Refrigeración

Calor absorbido en el evaporador: Qevaporador = h3 – h2 Caudal másico de refrigerante:

m = PF / QevaporadorPF: Potencia frigorífica. Se obtiene del ábaco psicrométrico.

Trabajo de compresión: Qcompresor = h4 – h3

Potencia (eléctrica) del compresor: Pec = Qcompresor · m

Caudal volumétrico: V= m · ve ve: Volumen específico

Calor a disipar en el condensador: Qcondensador = h4 – h1 Potencia calorífica a disipar en el condensador

Qc = Qc · m = (h4–

h1) · m Coeficiente de rendimiento (COP):

COP = Qevaporador / Qcompresor Producción frigorífica volumétrica: Qv = Qevaporador / ve


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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.


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FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA.

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.

T

S

3

1

2

QH

QL4

1.- Subenfriamiento del Condensado.

3



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T

S

3

1

2

QH

QL4

1.- Subenfriamiento del Condensado.

L

n

Q ( )( )

W (Cte)




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2.- Compresión por Etapas.

Recordando los procesos Politrópicos. Pvn = Cte

P

v

Pe

Ps

du Tds Pdv 1 Ley

dh du Pdv vdP

dh vdP w

w vdP

El trabajo será el área proyectada sobre el eje de

presiones.

n = k Proceso isentrópico

n = 1 Proceso isotérmico

0

0

0 0

Cpk Cv

Cp Cv k 1




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Los compresores deben trabajar isotérmicamente para que tenga

máxima eficiencia. (Consuman menos Potencia)

La compresión isotérmica no se puede lograr, la aproximamos

realizando la compresión por etapas y colocando intercambiadores

de calor entre cada etapa.

T

s

P

v

Ps

Pe

Ts

Te

Pint

T = Cte

n = k

n = k

P = Cte

P = Cte




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La presión intermedia para obtener máxima eficiencia será

T

S

3

1

2

QH

QL4

1

2int ent salP (P P )




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T

S

3

1

2

QH

QL4

1





55/93






T

S

3

1

2

QH

QL

4

1


5

6

L H H L

Q Cte Q W Q Q




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3.- Expansión en etapas múltiples.

Se realiza la expansión en varias etapas condensando el refrigeranteen cada expansión intermedia de manera de aumentar QL .De esta

manera se incrementa el coeficiente de utilización.

T

S

3

1

2

QH

QL4


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58/93




3.- Expansión en etapas múltiples.

Se realiza la expansión en varias etapas condensando el refrigeranteen cada expansión intermedia de manera de aumentar QL .De esta

manera se incrementa el coeficiente de utilización.

T

S

3

1

2

QH

QL

45

6

L H H LQ Q Cte W Q Q


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En un ciclo de refrigeración cuando se estrangula el refrigerante se busca que

su temperatura disminuya, esto no siempre se puede lograr. El comportamiento

de la temperatura en un proceso de estrangulamiento lo describe el Coeficiente

de Joule – Thomson (

)

h

T

P

Variación de la temperatura con la presión, en un proceso a entalpía

constante.

T

P

Línea de inversión

< 0

= 0

> 0

Si

μ < 0 T aumenta

μ = 0 T = Cte

μ > 0 T desciende

Un proceso de enfriamiento debido a

estrangulamiento no puede ocurrir a

menos que el fluido salga a una

presión por debajo de su presión deinversión.

Refrigerantes comunes:

R-12 Domestico, automóviles.

R-22 Comercial, AA de ventana

R- 11 AA enfriamiento de agua

Amoniaco, CO2 , Propano, Etano, Etileno, etc.


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En el ciclo mostrado se aplica todas las mejoras antes expuesta. Subenfriamiento del

condensado, Compresión por etapas, Expansión en etapas múltiples.

T

s

Evaporador

Condensador

QL

QH

C1

C2

IC

Tanque

Separador

1

8

3

2

5

4

8

7

6

QH

Prof. Carlos G. Villamar L ULA


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En el ciclo mostrado se aplica todas las mejoras antes expuesta. Subenfriamiento

del condensado, Compresión por etapas, Expansión en etapas múltiples.

T

s

Evaporador

Condensador

QL

QH

C1

C2

IC

Tanque

Separador

1

8

3

2

5

4

8

7

6

QH

1

2

3=4

5

6

78

9QL

QH

QH



W


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4

3

8

7

V.C. Tanque Separador.

fm1

1-fm1

1 u.m 1 u.m

1-fm1

1-fm1

1-fm1

Aplicando 1° Ley

e se s

7 1 3 4 1 8

m h Q m h W

h (1 fm )h h (1 fm )h

c c2c2

H cond i.c.

W W W

Q Q Q

Prof. Carlos G. Villamar L ULA


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V.C. en el Tanque Separador.

119

8

4

51 u.m 1 u.m

fm2

fm1 - fm2

fm1

1 – fm1

fm1

fm1

Evp. 2

e se s

8 1 4 5 2 9 1 2 11

m h Q m h W

h fm h h fm h (fm fm )h

Aplicando 1° Ley


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QH

QL

Evap 1

Condensador

C1

C2

1

8

2

5

4

76

3

Ref 1

Ref 2

T

s


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QH

QL

Evap 1

Condensador

C1

C2

1

8

2

5

4

76

3

Ref 1

Ref 2

T

s

QL1

2

3

4

QH

5

6

7

8


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- Tiene atractivo económico cuando se cuenta con una fuente térmica barata (100°C a 200°C)

- Se absorbe un refrigerante por medio de un transporte, el mas utilizado es el sistema

amoniaco – agua, donde el amoniaco es el refrigerante y el agua el medio de transporte.

- El ciclo es muy similar al de compresión de vapor pero se sustituye el compresor por

un complicado mecanismo.

- Amoniaco sale del evaporador y entra al

absorbedor donde se mezcla con el agua, ocurre

una reacción exotérmica, sale calor - Se puede disolver mayor cantidad de amoniaco

en el agua a menor temperatura del agua, se

debe enfriar el absorbedor.

- La solución líquida de amoniaco y agua rica

en amoniaco se bombea al generador.

- Se introduce calor al generador de la fuente

térmica externa, se evapora algo de la

mezcla rica en amoniaco.- En el rectificador se separa el agua y el

amoniaco, solo pasa amoniaco puro de alta

presión al condensador, para realizar el ciclo

- La solución caliente de agua pasa al

regenerador para ceder algo de el calor a la

mezcla que sale de la bomba

- La ventaja es que se comprime líquido en

lugar de vapor, la potencia consumida es muypequeña


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Uma frigoria/hora é equivalente a 1,163 W (watts), portanto 1000 watts

(1 kW) equivale aproximadamente a 860 frigorias/hora.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Watthttps://pt.wikipedia.org/wiki/Watt


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