Introduccin

Un sistema de refrigeracin se utiliza para mantener una regin del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente. El fluido de trabajo utilizado en el sistema puede permanecer en una sola fase (refrigeracin por gas) o puede cambiar de fase (refrigeracin por compresin de vapor). La refrigeracin suele asociarse a la conservacin de los alimentos y al acondicionamiento de aire de edificios. Las bombas de calor, es capaz tanto de enfriar como de calentar con la misma instalacin, utilizndose popularmente en edificios residenciales y comerciales.

1.1 Ciclos de RefrigeracinUna de las principales reas de aplicacin de la termodinmica es la refrigeracin, que es la transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeracin se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeracin. El ciclo de refrigeracin que se utiliza con ms frecuencia es por compresin de vapor, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otro ciclo de refrigeracin estudiado es el ciclo de refrigeracin de gas en el que el refrigerante permanece todo el tiempo en la fase gaseosa. Otros ciclos de refrigeracin analizados son el de refrigeracin en cascada, la cual utiliza ms de un ciclo de refrigeracin; refrigeracin por absorcin, donde el refrigerante se disuelve en un lquido antes de ser comprimido.1.1.1 Ciclo de Carnot InversoEl ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en direccin contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot.

Aunque en la prctica no es utilizado por razones que ms adelante se expondrn, sirve de referencia para evaluar el desempeo de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura.

Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturacin de un refrigerante, como el que se muestra en la figura (2.1-a) 1-2 Se transfiere (absorcin) calor reversiblemente desde la regin fra , de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase. 2-3 Se comprime el refrigerante isentrpicamente, hasta que alcanza la temperatura mxima TH. 3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la regin caliente a , de forma isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a lquido).4-1 Se expande el refrigerante isentrpicamente hasta, alcanzar la temperatura mnima .

Los inconvenientes de un ciclo de refrigeracin de Carnot como modelo de dispositivo prctico radican en los procesos de compresin y expansin. En general debe evitarse comprimir una mezcla hmeda por el dao de las presencias de pequeas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso anlogo de las turbinas de vapor). La expansin con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restriccin a las condiciones de saturacin limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la prctica al ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.

1.1.2 Compresin de VaporCiclo Ideal de Refrigeracin por Compresin de VaporMuchos de los aspectos imprcticos asociados con el 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 una vlvula de expansin o un tubo capilar. El ciclo que resulta se denomina ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor, y se muestra de manera esquemtica y en un diagrama T-s en la figura 11-3. El ciclo de refrigeracin por compresin de vapor es el que ms se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos:1-2 Compresin isentrpica en un compresor2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador.

En un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrpicamente hasta la presin del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresin isentrpica, hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante. Despus el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como lquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendr por encima de la temperatura de los alrededores.El refrigerante lquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presin del evaporador al pasarlo por una vlvula de expansin o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor hmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo.

Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor.

En un refrigerador domstico los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como el evaporador. Los serpentines detrs del refrigerador, donde el calor se disipa en el aire de la cocina, sirven como el condensador (Fig. 11-4). Recuerde que el rea bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor en caso de procesos internamente reversibles. El rea bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el rea bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador. Una regla emprica es que el COP mejora entre 2 y 4 por ciento por cada C que eleva la temperatura de evaporacin o que disminuye la temperatura de condensacin.

Otro diagrama utilizado con frecuencia en el anlisis de los ciclos de refrigeracin por compresin de vapor es el diagrama P-h, como se muestra en la figura 11-5. En este diagrama, tres de los cuatro procesos aparecen como lneas rectas, y la transferencia de calor en el condensador y el evaporador es proporcional a la longitud de la curva del proceso correspondiente. Observe que a diferencia de los ciclos ideales analizados antes, el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor no es un ciclo internamente reversible puesto que incluye un proceso irreversible (estrangulamiento). Este proceso se mantiene en el ciclo para hacerlo un modelo ms realista para el ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor. Si el dispositivo de estrangulamiento fuera sustituido por una turbina isentrpica, el refrigerante entrara en el evaporador en el estado 4 y no en el estado 4. En consecuencia, la capacidad de refrigeracin se incrementara (por el rea bajo la curva del proceso 4-4 en la figura 11-3) y la entrada neta de trabajo disminuira (por la cantidad de salida de trabajo de la turbina). Sin embargo, el reemplazo de la vlvula de expansin por una turbina no es prctico, ya que los beneficios adicionales no justifican el costo y la complejidad que se generan.Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energa cintica y potencial del refrigerante suelen ser pequeos en relacin con los trminos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuacin de energa de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a

El condensador y el evaporador no implican ningn trabajo y el compresor puede calcularse como adiabtico. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor pueden expresarse como

Donde y para el caso ideal.La refrigeracin por compresin de vapor se remonta a 1834, cuando el ingls Jacob Perkins recibi una patente para una mquina de hielo de ciclo cerrado que usaba ter u otros fluidos voltiles como refrigerantes. Se fabric un modelo utilizable de esta mquina, pero nunca se produjo comercialmente. En 1850, Alexander Twining empez a disear y construir mquinas de hielo por compresin de vapor usando ter etlico, el cual es un refrigerante comercialmente usado en los sistemas por compresin de vapor. Al principio, los sistemas de refrigeracin por compresin de vapor eran grandes y utilizados principalmente para producir hielo, preparar cerveza y conservar alimentos en fro. Carecan de control automtico y eran accionados por una mquina de vapor. En la dcada de 1890, algunas mquinas ms pequeas, activadas por motores elctricos y equipados con control automtico, empezaron a sustituir a las unidades ms viejas, y los sistemas de refrigeracin empezaron a aparecer en las carniceras y en las residencias. Por 1930, las mejoras continuas hicieron posible contar con sistemas de refrigeracin por compresin de vapor que resultaban relativamente eficientes, confiables, pequeos y econmicos.

Ciclo Real de Refrigeracin por Compresin de VaporUn ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor difiere de uno ideal en varios aspectos, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la friccin del fluido (causa cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s de un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor se muestra en la figura 11-7.En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la prctica, no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisin. En lugar de eso, es fcil disear el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entra al compresor. Tambin, la lnea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto, la cada de presin ocasionada por la friccin del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas. El resultado del sobrecalentamiento, de la ganancia de calor en la lnea de conexin y las cadas de presin en el evaporador y la lnea de conexin, consiste en un incremento en el volumen especfico y, por consiguiente, en un incremento en los requerimientos de entrada de potencia al compresor puesto que el trabajo de flujo estacionario es proporcional al volumen especfico.

Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor.

El proceso de compresin en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, por ende, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real incluir efectos de friccin, los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropa, dependiendo de la direccin. Por consiguiente, la entropa del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2) durante un proceso de compresin real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresin 1-2puede ser incluso ms deseable que el proceso de compresin isentrpico debido a que el volumen especfico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son ms pequeos en este caso. De ese modo, el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresin siempre que sea prctico y econmico hacerlo.En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como lquido saturado a la presin de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta cada de presin en el condensador, as como en las lneas que lo conectan con el compresor y la vlvula de estrangulamiento. Adems, no es fcil ejecutar el proceso de condensacin con tal precisin como para que el refrigerante sea un lquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la vlvula de estrangulamiento antes de que se condense por completo. En consecuencia, el refrigerante se subenfra un poco antes de que entre a la vlvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto, se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpa inferior y por ello puede absorber ms calor del espacio refrigerado. La vlvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la cada de presin en la lnea de conexin es pequea.

Anlisis de la segunda ley del ciclo de refrigeracin por compresin de vaporConsidere el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor que opera entre un medio de baja temperatura a , y un medio de alta temperatura a, como se muestra en la figura11-9. El COP mximo de un ciclo de refrigeracin que opera entre los lmites de temperatura de y se dio en la ecuacin 11-4 como

Los ciclos de refrigeracin reales no son tan eficientes como los ideales como el ciclo de Carnot, debido a las irreversibilidades que implican. Pero la conclusin que podemos sacar de la ecuacin 11-9 de que el COP es inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas es igualmente vlida para ciclos de refrigeracin reales.El objetivo de un anlisis de la segunda ley de un sistema de refrigeracin es determinar los componentes que se pueden beneficiar al mximo por mejoras. Esto se realiza identificando las ubicaciones con mayor destruccin de exerga, y los componentes con la menor exerga o eficiencia de la segunda ley. La destruccin de energa en un componente se puede determinar directamente a partir de un balance de exerga o, indirectamente, calculando primero la generacin de entropa y usando luego la relacin

Donde es la temperatura ambiental (el estado muerto). Para un refrigerador, es usualmente la temperatura del medio a alta temperatura (para una bomba trmica, es ). Las destrucciones de exerga y las eficiencias de exerga o de la segunda ley para los componentes principales de un sistema de refrigeracin que operan en el ciclo que se muestra en la figura 11-9 se pueden escribir como sigue

Observe que, cuando = , que es normalmente el caso para los refrigeradores,=0, ya que no hay exerga recuperable en este caso.

Vlvula de expansin:

Evaporador:

Aqu, representa el positivo de la tasa de exerga correspondiente a la remocin de calor del medio de baja temperatura a, a razn de . Observe que las direcciones de la transferencia de calor y la exerga se vuelven opuestas cuando < (es decir, la exerga del medio de baja temperatura aumenta cuando pierde calor). Asimismo, es equivalente a la potencia que se puede producir por una mquina de ciclo de Carnot que recibe calor de un entorno a y rechaza calor a un medio de baja temperatura a , a razn de , que se puede demostrar que es

Por la definicin de reversibilidad, esto es equivalente al suministro de potencia mnima o reversible necesaria para quitar el calor a razn de , y rechazarlo al ambiente a . Es decir, . Observe que, cuando=, que es frecuentemente el caso para bombas trmicas,=0, ya que no hay exerga recuperable en este caso. La destruccin total de exerga asociada al ciclo es la suma de las destrucciones de exerga:

Se puede demostrar que la destruccin total de exerga correspondiente a un ciclo de refrigeracin se puede obtener tomando la diferencia entre la exerga suministrada (entrada de potencia) y la exerga recuperada (la exerga del calor que se quita del medio de baja temperatura):

La eficiencia de la segunda ley o de exerga del ciclo se puede entonces expresar como

Ya que = para un ciclo de refrigeracin. As, la eficiencia de la segunda ley tambin es igual a la relacin de los COP real y mximo para el ciclo. Esta definicin de eficiencia de la segunda ley toma en cuenta todas las irreversibilidades dentro del refrigerador, incluyendo las transferencias de calor con el espacio refrigerado y el ambiente.

1.1.3 Brayton InvertidoUna de las principales reas de la termodinmica es la refrigeracin, que es la transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una temperatura superior. Los dispositivos que producen refrigeracin son conocidos comnmente como "refrigeradores, o acondicionador de aire", y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, en donde el refrigerante es evaporado y condensado alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Para esta seccin, en especfico, estudiaremos el ciclo de refrigeracin de gas, mejor conocido como ciclo invertido Brayton; en el cual, el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa.Para esto a continuacin analizaremos el comportamiento del ciclo de refrigeracin de gas o invertido Brayton, para un aprendizaje didctico.Ciclo Brayton invertido.Si se considera el ciclo de refrigeracin de gas que se muestra en la siguiente figura. Los alrededores estn a una temperatura T0 y el espacio refrigerado se va a mantener a una temperatura TL.El gas es comprimido durante el proceso efectuado de 1-2.El gas a presin y temperatura altas en el estado 2 se enfra despus a presin constante hasta T0 al rechazar calor hacia los alrededores.Luego se efecta una expansin en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4.Por ltimo, el gas fro absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1.

Caractersticas:Los procesos anteriormente descritos son internamente reversibles.El ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeracin de gas.En los ciclos reales de refrigeracin de gas, los procesos de compresin y expansin se desviarn de los isentrpico, y T3 ser ms alta que T0 a menos que el intercambiador de calor sea infinitamente largo.En un diagrama T-s, el rea bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor removido del espacio refrigerado; el rea encerrada 1-2-3-4-1 representa la entrada neta de trabajo. La relacin de estas reas es el COP para el ciclo, que se expresa como:

Siendo en este caso:

1.1.4 Compresin de Vapor en Cascada y Etapas MltiplesSistemas innovadores de refrigeracin por compresin de vaporEl ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor estudiado antes, es el ms utilizado y el ms adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de refrigeracin. Los sistemas de refrigeracin por compresin de vapor ordinarios son simples, econmicos, confiables y prcticamente libres de mantenimiento (cundo fue la ltima vez que le dio servicio a su refrigerador domstico?). Sin embargo, en grandes aplicaciones industriales, la eficienciano la simplicidad es lo que ms importa. Tambin en algunas aplicaciones, el ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor es inadecuado y necesita modificarse. Ahora analizaremos algunas de esas modificaciones y refinamientos.Sistemas de refrigeracin en cascadaAlgunas aplicaciones industriales requieren temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que involucran es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor resulte prctico. Un gran intervalo de temperatura significa tambin un gran nivel de presin en el ciclo y un pobre desempeo en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones consiste en efectuar el proceso de refrigeracin por etapas, es decir, tener dos o ms ciclos de refrigeracin que operan en serie. Tales procesos se denominan ciclos de refrigeracin en cascada.Un ciclo de refrigeracin en cascada de dos etapas se muestra en la figura 11-12. Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior (ciclo B). Suponiendo que el intercambiador de calor est bien aislado y que las energas cintica 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. De modo que la relacin de los flujos msicos en cada ciclo debe ser

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 el intercambiador de calor. Por lo tanto, los refrigerantes con caractersticas ms deseables pueden utilizarse en cada ciclo. En este caso, habra una curva de saturacin independiente para cada fluido y el diagrama T-s resultara distinto para uno de los ciclos. Adems, en los sistemas reales de refrigeracin en cascada, los dos ciclos se traslaparan un poco debido a que se requiere una diferencia de temperatura entre los dos fluidos para que suceda alguna transferencia de calor. Es evidente, a partir del diagrama T-s y de la figura 11-12, que el trabajo del compresor disminuye y que la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada. Por lo tanto, el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeracin. Algunos sistemas de refrigeracin usan tres o cuatro etapas en cascada.

Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapasCuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeracin en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por una cmara de mezclado (llamada cmara de vaporizacin instantnea), puesto que tiene mejores caractersticas de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas. Un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas se muestra en la figura 11-14.

En este sistema, el refrigerante lquido se expande en la primera vlvula de expansin hasta la presin de la cmara de vaporizacin instantnea, que es la misma que la presin entre las etapas del compresor. Parte del lquido se evapora durante este proceso. Este vapor saturado (estado 3) se mezcla con el vapor sobrecalentado del compresor de baja presin (estado 2), y la mezcla entra al compresor de presin alta en el estado 9. Esto es, en esencia, un proceso de regeneracin. El lquido saturado (estado 7) se expande a travs de la segunda vlvula de expansin hacia el evaporador, donde recoge calor del espacio refrigerado. El proceso de compresin en este sistema es similar a una compresin de dos etapas con interenfriamiento, y el trabajo del compresor disminuye. Debe tenerse cuidado en las interpretaciones de las reas en el diagrama T-s en este caso, dado que los flujos msicos son diferentes en las distintas fases del ciclo.

1.1.5 Ciclo de refrigeracin por absorcin.Descripcin del ciclo

Los ciclos termodinmicos de enfriamiento, tanto el de compresin como el de absorcin, permiten sacar calor del espacio que quiere enfriarse y llevarlo a otro lugar donde se disipa. Para hacerlo, ambos sistemas aprovechan la necesidad de un fluido, utilizado como refrigerante, de obtener calor del entorno para pasar del estado lquido al de vapor al ser introducido en un espacio a ms baja presin. Mientras que en el ciclo de compresin la diferencia de presiones se obtiene con un compresor mecnico, en el de absorcin se consigue aportando calor a una mezcla del refrigerante y otra sustancia que se caracteriza por tener una gran afinidad con aquel y absorberlo fcilmente. En el generador donde se aporta el calor, el refrigerante se separa del absorbente por ebullicin y, por la presin generada, recorre el circuito de alta presin donde se condensa (como en el ciclo de compresin) hasta evaporarse de nuevo en la zona de baja presin, donde se asocia con el absorbente para poder volver juntos y en estado lquido al generador.

En la evolucin del ciclo de absorcin se han experimentado diversas parejas de refrigerante/absorbente, pero comercialmente hay nicamente dos: la formada por el agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente, y la que utiliza el amonaco como refrigerante y agua como absorbente. Cada una de estas dos tcnicas tiene sus peculiaridades. Mientras la utilizacin del agua como refrigerante limita la temperatura de evaporacin por encima de 0C, permite, en cambio, una mayor eficiencia energtica que la que se consigue con el ciclo de amonaco que, por su parte, presenta la ventaja de poder bajar las temperaturas muy por debajo de 0C y condensar a temperaturas ms altas.

1. Mquina de ciclo de efecto simple amonaco/aguaEl efecto simple representa la base tcnica de las mquinas a absorcin y ayuda a comprender el funcionamiento del ciclo efecto doble. En el generador. La solucin amonaco / agua es llevado a ebullicin, gracias a una aportacin calorfica asegurada por un quemadorquefuncionaa gas natural. El fluido refrigerante (amonaco) se vaporiza y se separa del agua bajo una presin prxima a 20 bares. Es enviado hacia el condensador. En este, el amonaco se condensa por enfriamiento gracias al aire exterior.

El amonaco lquido luego se dirige hacia el evaporador, donde se detiene. La presin del amonaco en el seno de este evaporador est prxima a los 4 bares. A causa de la variacin de presin, el amonaco se vaporiza absorbiendo las caloras del circuito de utilizacin (temperatura en el evaporador est prxima a los + 3 C).Estos vapores de amonaco pasan luego por el aparato de absorcin, y son absorbidos por el agua proveniente de la separacin amoniaco agua que se produjo en el generador.

2. Mquina de ciclo de doble efecto agua/bromuro de litioLa mquina de doble efecto agua / bromuro de litio permite un funcionamiento en modo fro o en modo calor (como la mquina efecto simple pero con prestaciones muy superiores). La tcnica es la misma la parejafluido refrigerante/ absorbente es lo que difiere. En el caso de estas mquinas, el fluido refrigerante es agua que cambiar de estado en el ciclo termodinmico. El absorbente es el bromuro de litio que es una sal muy vida de agua y que absorber el vapor de agua despus de su paso en el evaporador.

Funcionamiento en modo froLos elementos constitutivos de una mquina de doble efecto son los mismos que las de una mquina de efecto simple con el aadido de un generador de baja temperatura.Si el evaporador, el sistema absorbente y el condensador desempean los mismos papeles y reciben los mismos fluidos que en el caso del efecto simple, la concentracin de la solucin (Es decir la produccin de refrigerante y la regeneracin del absorbente) se efecta en dos etapas distintas (hablamos desde el punto de vista de termodinmica de dos efectos distintos).La primera etapa es idntica de hecho a la del efecto simple; la solucin diluida (o solucin rica) se "preconcentra" en el generador a alta temperatura, a llama directa (quemador de gas natural). La segunda etapa consiste en una concentracin final en el generador a temperatura baja de esta solucin "intermedia" por el vapor del refrigerante obtenido en el generador alta temperatura. La solucin concentrada resultante posteriormente es enviada al sistema de absorcin; y el vapor total del refrigerante (salidas sucesivamente de los generadores de baja temperatura y de alta temperatura) es dirigido hacia el condensador.

Funcionamiento en modo simultneoUna recuperacin de calor de baja temperatura (37 - 39 C) sobre el condensador en modo fro es factible sobre toda mquina a absorcin que funciona en fro durante el perodo invernal, con el fin, por ejemplo, de precalentar agua sanitaria, de asegurar el calentamiento de una fachada norte a mitad de temporada o de alimentar una red de suelo radiante.Algunos constructores aaden a sus mquinas intercambiadores complementarios para permitir una produccin de agua caliente a alta temperatura (85 C mximo) simultnea con la produccin de agua helada.Estos intercambiadores permiten, por una parte, trabajar con parejas de temperaturas salida / retorno comparables a los modos clsicos de calentamiento (Incremento de T de 20C con una temperatura de salida de 80 C). Permiten, por otra parte, evitar la utilizacin del condensador y del evaporador cuando solo se utiliza en modo calor, transformando as el grupo a absorcin en una caldera simple.

La produccin simultnea de calor para el calentamiento (80 / 60C) y de fro para el enfriamiento (7/12 C), adaptada a cada momento a las necesidades, es pues realizable fcilmente.

Determinacin del COP mximo del ciclo:

1.2 Caractersticas de Algunos RefrigerantesSeleccin del refrigerante adecuado:Propiedades del Tricloromonofluorometano (R11):Peso Molecular: 137.368 g/molPunto de fusin: -111.11 CCalor latente de fusin (1,013 bar, en el punto de fusin): 50.208 kJ/kgDensidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 1479.328 kg/m3Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 0 C (32 F)): 254.1 vol/volPunto de ebullicin: 23.71 CCalor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin): 181.358 kJ/kgPresin de vapor (a 25 C o 77 F): 1.0605 barTemperatura Crtica: 197.96 CPresin Crtica: 44.17 barDensidad Crtica: 619.435 kg/m3Temperatura del punto triple: -111.11 CPresin del punto triple: 5.856E-05 barDensidad del Gas (1.013 bar en el punto de ebullicin): 5.8531 kg/m3Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.96415Gravedad especfica (aire = 1): 4.9Volumen Especfico (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.1717 m3/kgCapacidad calorfica a presin constante (Cp) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.0835 kJ/(mol.K)Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1.013 bar y 15.6 C (60 F)): 0.0733 kJ/(mol.K)Razn de calores especficos (Gama: Cp/Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1.1391Viscosidad (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1.0161E-04 PoiseConductividad Trmica (1.013 bar y 25 C (77 F)): 8.4546 mW/(m.K)Solubilidad en agua: 0.179 vol/vol

Propiedades del DicloroDifluorometano (R12):Peso Molecular: 120.914 g/molPunto de fusin: -158 CCalor latente de fusin (1,013 bar, en el punto de fusin): 34.239 kJ/kgDensidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 1487.004 kg/m3Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 284.6 vol/volPunto de ebullicin (1.013 bar): -29.75 CCalor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin): 166.172 kJ/kgTemperatura Crtica: 111.97 CPresin Crtica: 41.36 barDensidad Crtica: 565 kg/m3Temperatura del punto triple: -157.05 CPresin del punto triple: 2.449E-06 barDensidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin): 6.289 kg/m3Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 5.2252 kg/m3Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)): 0.97867Gravedad especfica (aire = 1): 4.3Volumen Especfico (1.013 bar y 21 C (70 F)): 0.1985 m3/kgCapacidad calorfica a presin constante (Cp) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.074 kJ/(mol.K)Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.065 kJ/(mol.K)Razn de calores especficos (Gama: Cp/Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1.139Viscosidad (1.013 bar y 0 C (32 F)): 1.0764E-04 PoiseConductividad Trmica (1.013 bar y 0 C (32 F)): 8.7331 mW/(m.K)

Propiedades del Clorodifluorometano (R22):Peso Molecular: 86.468 g/molPunto de fusin: -157.42 CCalor latente de fusin (1,013 bar, en el punto de fusin): 47.685 kJ/kgDensidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 1409.172 kg/m3Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 379.1 vol/volPunto de ebullicin (1.013 bar): -40.81 CCalor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin): 233.75 kJ/kgTemperatura Crtica: 96.15 CPresin Crtica: 49.9 barDensidad Crtica: 523.842 kg/m3Temperatura del punto triple: -157.42 CPresin del punto triple: 2.547E-06 barDensidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin): 4.7039 kg/m3Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 3.7182 kg/m3Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)): 0.98352Gravedad especfica (aire = 1): 3Volumen Especfico (1.013 bar y 21 C (70 F)): 0.2788 m3/kgCapacidad calorfica a presin constante (Cp) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.0572 kJ/(mol.K)Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.0483 kJ/(mol.K)Razn de calores especficos (Gama: Cp/Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1.1847Viscosidad (1.013 bar y 0 C (32 F)): 1.1533E-04 PoiseConductividad Trmica (1.013 bar y 0 C (32 F)): 9.15 mW/(m.K)Solubilidad en agua (1 bar y 25 C (77 F)): 0.78 vol/vol.

Propiedades del 1, 1, 1,2-Tetrafluoroetano (R134A):Peso Molecular: 102.03 g/molPunto de fusin (1.013 bar): -101 CDensidad del lquido (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1206 kg/m3Punto de ebullicin (1.013 bar): -26.55 CCalor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin): 215.9 kJ/kgPresin de vapor (a 20 C o 68 F): 5.7 barPresin de vapor (a 5 C o 41 F): 3.5 barPresin de vapor (a 15 C o 59 F): 4.9 barPresin de vapor (a 50 C o 122 F): 13.2 barTemperatura Crtica: 100.95 CPresin Crtica: 40.6 barDensidad Crtica: 512 kg/m3Temperatura del punto triple: -103.3 CDensidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin): 5.28 kg/m3Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 4.25 kg/m3Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)): 1Gravedad especfica (aire = 1): 3.25Volumen Especfico (1.013 bar y 15 C (59 F)): 0.235 m3/kgCapacidad calorfica a presin constante (Cp) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.08754 kJ/(mol.K)Solubilidad en agua (1 bar y 25 C (77 F)): 0.21 vol/vol

Propiedades del Cloropentafluoretano (R115):Peso Molecular: 154.466 g/molPunto de fusin: -99.44 CCalor latente de fusin (1,013 bar, en el punto de fusin): 12.158 kJ/kgDensidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 1546.641 kg/m3Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 231.9 vol/volPunto de ebullicin (1.013 bar): -39.22 CCalor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin): 125.36 kJ/kgTemperatura Crtica: 79.95 CPresin Crtica: 31.29 barDensidad Crtica: 614.776 kg/m3Temperatura del punto triple: -99.4 CPresin del punto triple: 0.02189 barDensidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin): 8.4063 kg/m3Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)): 6.6711 kg/m3Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)): 0.97927Gravedad especfica (aire = 1): 5.4Volumen Especfico (1.013 bar y 21 C (70 F)): 0.1554 m3/kgCapacidad calorfica a presin constante (Cp) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.1113 kJ/(mol.K)Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 0.1022 kJ/(mol.K)Razn de calores especficos (Gama: Cp/Cv) (1.013 bar y 25 C (77 F)): 1.0883Viscosidad (1.013 bar y 0 C (32 F)): 1.1489E-04 PoiseConductividad Trmica (1.013 bar y 0 C (32 F)): 10.739 mW/(m.K)Solubilidad en agua (1.013 bar y 20 C (68 F)): 0.0092 vol/vol

1.3 Diagrama P vs para el proceso de compresin de un refrigerante 1.4 Bombas de CalorLas Bombas de calor tienden a ser ms costosas en la instalacin pero por la eficiencia de sus ciclos tienden a ser ms econmicas de operar. Progresivamente estas se van haciendo ms populares. La fuente de energa ms comn es el aire atmosfrico, aunque tambin se utilizan el agua y el suelo. El principal problema del uso del sistema de aire como fuete de energa es la formacin de escarcha cuando la temperatura e inferior a 2c. La acumulacin de escarcha en los serpentines resulta indeseable porque interfiere con la transferencia de calor. Sin embargo los serpentines pueden descongelarse cuando se invierte la direccin del ciclo convirtindolo en un sistema de aire acondicionado. Esto origina una reduccin en la eficiencia. Los sistemas que tienen al agua como fuente suelen utilizar el agua subterrnea hasta profundidades de hasta 80 m en el intervalo de temperaturas de entre 5 y 18 grados Celsius, y no tienen problemas de formacin de escarcha. Por lo comn, mantiene COP ms altos pero son ms complejos y requieren fcil acceso a depsito de agua. Los sistemas que utilizan el suelo como fuente de calor son pocos pues requieren gran una tubera situado a varios metros de profundidad donde la temperatura es relativamente constante. El COP de las bombas de calor casi siempre vara entre 1.5 y 4, segn el sistema particular utilizado y la temperatura de la fuente. Una nueva clase de bombas desarrollada recientemente, accionada por un motor electico d velocidad variable, es por lo menos do veces ms eficiente que sus predecesoras. Tanto la capacidad como la eficiencia de las bombas de calor, disminuyen de manera significativa a bajas temperaturas. Por consiguiente, la mayor parte de las bombas de calor que utilizan el aire como fuente requieren un sistema de calentamiento suplementario como lo son calentadores de resistencia elctrica, o un horno de gas o petrleo. Considerando que las temperaturas del agua y del suelo no varan mucho, tal vez o se requiera un calentamiento suplementario en los sistemas que utilizan como fuente el agua o al suelo. Sin embargo, los sistemas de bomba de calor deben tener el tamao suficiente para satisfacer la mxima carga de calentamiento. Las bombas de calor y los acondicionadores de aire tienen los mismos componentes mecnicos. Por consiguiente, no resulta econmico tener dos sistemas separados para cubrir los requerimientos de calefaccin y enfriamiento de un edificio. Un sistema puede usarse como una bomba de calor en el invierno y como acondicionador de aire en el verano. Esto se consigue al aadir una vlvula inversora en el ciclo. Como resultado de esta modificacin, el condensador de la bomba de calor (ubicado en los interiores) funciona como el evaporador del acondicionador de aire en el verano. Adems, el evaporador de la bomba de calor (localizado en el exterior). Sirve como el condensador del acondicionador de aire. Esta caracterstica incrementa la competitividad de la bomba de calor. Dichas unidades de propsito doble se utilizan con frecuencia en los moteles. Las bombas de calor son ms competitivas en reas que tienen una gran carga de enfriamiento durante la temporada de fro, y una carga de calefaccin relativamente pequea durante la temporada de calor, como en la zona sur de Estados Unidos. En esas reas, la bomba de calor cubre todas las necesidades de enfriamiento y calefaccin de los edificios residenciales o comerciales. La bomba de calor es menos competitiva en reas donde la carga de calentamiento es muy grande y la carga de enfriamiento es pequea, como en la zona norte de Estados Unidos.

1.5 AplicacionesLas aplicaciones de refrigeracin son entre muchas: Las aplicaciones en espacios habitados, para alcanzar un grado de confort trmico adecuado para la habitabilidad de un edificio. Las aplicaciones medicamentos u otros productos que se degraden con sus chupadas. Como por ejemplo la produccin de hielo o nieve, la mejor conservacin de rganos enmedicinao el transporte de alimentos perecederos. Losprocesos industrialesque requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son elmecanizado, la fabricacin de plsticos, la produccin deenerga nuclear. Lacriognesiso enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones cientficas. Motores de combustin interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba enva el lquido refrigerante a las galeras que hay en el bloque motor y la culata y de all pasa unradiador de enfriamientoy un depsito de compensacin. El lquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelacin para preservar al motor de sufrir averas cuando se producen temperaturas bajo cero. Mquinas-herramientas: las mquinas herramientas tambin llevan incorporado un circuito de refrigeracin y lubricacin para bombear el lquido refrigerante que utilizan que se llamataladrinao aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rpidamente, Aparatos electrnicos: la mayora de los aparatos electrnicos requieren refrigeracin, que generalmente consiguen mediante un ventilador, que hace circular el aire del local donde se sitan, y otras veces sencillamente haciendo circular el aire porconveccin.

Sistema de refrigeracin aplicado a un problema realLos sistemas industriales y domsticos de refrigeracin (frigorficos, congeladores, aire acondicionado, etc...) se basan en la compresin y expansin de un gas de forma cclica.Pero los gases utilizados, tarde o temprano terminan por escapar a la atmsfera y resulta que los ms adecuados para el proceso de refrigeracin causan efecto invernadero o destruccin de la capa de ozono. Una de las principales alternativas que se est investigando actualmente es la refrigeracin magntica. Se trata de cambiar totalmente el principio de enfriamiento utilizado: en vez de gas, usar un slido magntico y en vez de ciclos de compresin-expansin, ciclos de imanacin-desimanacin.

Magnetismo en tomosLa materia est formada por tomos y entre ellos, unos pocos (Cr, Mn, Fe, Co, Ni y otros menos conocidos) tienen momento magntico, es decir, se comportan como imanes atmicos. Normalmente, cada uno de estos imanes est orientado en una direccin al azar, pero si se aplica un campo magntico mediante un electroimn, los momentos magnticos tienden a alinearse con l. Recordemos que la temperatura est asociada al movimiento de los tomos.La agitacin trmica desordena la direccin en la que apunta cada uno de estos imanes atmicos. El resultado es que al aplicar el campo toda la energa utilizada para el movimiento errtico se pierde en su mayora. Esta energa pasa en forma de calor a travs de los tomos del material y a los objetos que estn en contacto trmico con l; consecuentemente la temperatura sube. A la inversa, si el material est en presencia de un campo externo y de repente se suprime el campo, el material se enfra.

Ciclo de refrigeracin magnticaEl ciclo se compone de cuatro etapas representadas en el esquema inferior.

Las flechas en los cuadros de color representan tomos con momento magntico, las temperaturas estn representadas por los termmetros grises. A temperatura ambiente representada por el color turquesa y apuntando en direccin aleatoria. Primero aplicamos un campo magntico, simbolizado en la segunda etapa por un imn: los momentos magnticos se alinean con el campo externo y el material se calienta (simbolizado por el color rojo). A travs del contacto trmico con el exterior y manteniendo el campo externo, el material se enfra hasta la temperatura ambiente (tercera etapa, en color verde). Despus suprimimos repentinamente el campo: los momentos se desalinean y el material se enfra. Se alcanza una temperatura ms baja que la ambiental (cuarta etapa, en color azul marino). El material se pone en contacto trmico con el objeto que queremos enfriar, simbolizado por un frigorfico. El objeto se enfra y el material se calienta hasta que ambos alcanzan una temperatura de equilibrio, inferior a la que tena el objeto. El proceso puede repetirse y el resultado es que cada ciclo extrae una cantidad de calor del frigorfico cediendo calor al exterior, de modo que todas las temperaturas excepto la verde van bajando.Este proceso se denomina desimanacin adiabtica y se emplea desde 1927 para conseguir temperaturas extremadamente bajas en laboratorios, cercanas al cero absoluto. Como material se usa una sal paramagntica y el proceso slo es eficaz a temperaturas muy bajas porque, a ms altas, los campos necesarios para alinear los momentos contra la agitacin trmica seran enormes, mucho ms intensos de lo que se puede conseguir en el laboratorio, incluso con una bobina superconductora.

El campo intenso que no somos capaces de alcanzar en el laboratorio nos lo proporciona la naturaleza en forma de imanes permanentes. Un imn permanente es un material que no slo contiene tomos magnticos en su composicin, sino que se alinean espontneamente a baja temperatura debido a un campo interno muy intenso. A ese estado alineado se le llama estado ferromagntico. A medida que crece la temperatura, la agitacin trmica compite con el alineamiento de los momentos magnticos y se van desordenando gradualmente. Finalmente se alcanza una temperatura Tc, llamada temperatura de Curie, en la que la agitacin trmica termina por derrotar completamente al campo interno, quedando los momentos magnticos orientados al azar. A temperaturas superiores el material est en estado paramagntico. Por ejemplo, la temperatura de Curie del hierro puro es 770 C.

Qu pasa si le aplicamos un campo magntico externo a un material ferromagntico? Si estamos a una temperatura muy por encima de Tc no ocurre casi nada, igual que en un paramagneto. Si estamos muy por debajo de Tc el efecto trmico es tambin dbil porque los imanes atmicos ya estn alineados antes de aplicar el campo externo. La cosa cambia si estamos un poco por debajo o un poco por encima de Tc. Entonces el campo externo se suma al campo interno, que a esas temperaturas se encuentra en dura competencia con la agitacin trmica y con una pequea ayuda exterior consigue vencerla. Como resultado, un campo externo relativamente dbil consigue alinear los momentos magnticos y por lo tanto produce un gran efecto trmico, o como se llama tcnicamente, efecto magnetocalrico.

Refrigeracin magntica en la vida diariaEl procedimiento descrito es tericamente impecable pero para que sea competitivo con los mtodos tradicionales de refrigeracin hacen falta varias condiciones: Que la temperatura de Curie del material sea cercana a la temperatura ambiente Que tenga un gran momento magntico atmico Que haya gran concentracin de tomos magnticos Que sea buen conductor del calor para que transfiera fcilmente sus efectos trmicos a los objetos exteriores que se quieren enfriar

El mejor metal para ello es el gadolinio puro (Gd), un metal bastante raro que tiene un momento magntico de 7,98 magnetones de Bohr, casi el cudruple que el hierro. Se han desarrollado varios prototipos de refrigeradores magnticos a base de gadolinio en los ltimos aos.

Pero a travs de los aos se ha desarrollado un proceso para mejorar la eficacia: el efecto magnetocalrico gigante.Este efecto es alcanzado al aprovechar la energa de transicin del material. Se puede forzar la transicin mediante la aplicacin de un campo magntico externo a temperaturas superiores a la de saturacin y el calor producido es la suma del debido al alineamiento de los momentos magnticos y al calor latente habitual en una transicin, de igual manera ser el calor absorbido en la etapa de enfriamiento. Este efecto es el que verdaderamente hace posible aplicar el mtodo de refrigeracin magntica de manera competitiva con los mtodos tradicionales.

Materiales para refrigeracin magnticaEl primer material magnetocalrico gigante fue el Gd5Si2Ge2, descubierto por V. Pecharsky y K.A. Gschneidner en 1997, con Tc= 3 C y un poder refrigerante doble que el del gadolinio puro. En este compuesto se puede sustituir Si por Ge en cualquier proporcin y se encuentra que la familia de compuestos Gd5(SixGe1-x)4 tiene propiedades de refrigeracin similares para un rango amplio de concentraciones. Adems Tc depende de x y vara entre -140 C para x= 0,23 y 3 C para x= 0,50. Esta variacin permite disear el material apropiado para una determinada temperatura de trabajo, sin ms que prepararlo con la composicin adecuada. Desde 1997 se estn investigando otros muchos materiales, algunos de los cuales igualan e incluso mejoran las propiedades del Gd5Si2Ge2 como refrigerante magntico, son ms baratos o extienden el rango de temperaturas de trabajo.

Aunque la finalidad principal de la refrigeracin magntica es evitar el uso de fluidos dainos para la atmsfera, la eficiencia tambin resulta mejor que con los sistemas tradicionales, es decir, permiten tambin un ahorro de energa. En un sistema convencional basado en la compresin-expansin de un fluido la eficiencia raramente supera el 20% del lmite terico, obtenido en un ciclo de Carnot. En los prototipos probados de refrigeradores magnticos se obtienen eficiencias de hasta el 60%, lo que equivale a decir que el refrigerador magntico consume la tercera parte de electricidad que uno convencional. A todo esto se aade que la mecnica del refrigerador magntico es ms sencilla y robusta que en los refrigeradores convencionales, ya que no emplea fluidos a alta presin, en los que el mayor inconveniente es la fuga de los mismos a la atmsfera. La tecnologa necesaria es realmente sencilla y lo que se necesita es encontrar materiales con suficiente capacidad refrigerante en el rango de temperaturas de cada aplicacin. En este momento los prototipos probados ya superan en todos los aspectos al mtodo tradicional, pero no se ha llegado al lmite de lo posible en la optimizacin de los materiales.