Màquina frigorífica
Una màquina frigorífica (en anglés: Chiller) és un dispositiu cíclico que transferix energia tèrmica des d'una regió de baixa temperatura fins a una atra d'alta temperatura, gràcies al treball aportat des de l'exterior,[1] generalment per un Compressor (màquina) mogut per un motor elèctric, encara que poden existir compressors arrastrats per un motor tèrmic, com ocorre en molts vehículs. Els cicles en els quals operen es diuen cicles de refrigeració, dels quals l'empleat en més freqüència és el cicle de refrigeració per compressió de vapor. Un atre cicle molt amprat és el cicle de refrigeració de gas i també el de refrigeració per absorció.
Els decorreguts de treball utilisats en estos cicles es diuen refrigerante o decorreguts frigorígenos, que en distintes parts de la màquina sofrixen transformacions de pressió, temperatura i fase (líquida o gaseosa) i per mig de les quals es realisa la transferència d'energia.
Un atre dispositiu d'idèntiques característiques, és la bomba de calor. En realitat, abdós són, en essència, els mateixos dispositius, que solament diferixen en els seus objectius. La màquina frigorífica té com a objectiu extraure calor d'un espai fret, per a mantindre la seua baixa temperatura, transferint-ho o rebujant-ho en una atra zona de major temperatura. L'objectiu d'una bomba de calor és aportar calor a un espai per a mantindre-ho calent, prenent-ho d'una font de baixa temperatura, com l'aire exterior fret o l'aigua d'un pou.
Cicle frigorífic de compressió
[editar | editar còdic]El cicle frigorífic més utilisat és el de compressió de vapor que és l'invers del de la màquina de Carnot. El cicle de Carnot és totalment reversible, per tant tots els processos que comprén poden invertir-se. El cicle permaneix exactament igual, excepto que les direccions de qualsevol interacció de calor i de treball estan invertides.
CoP màxim teòric
[editar | editar còdic]S'absorbix calor en una cantitat ___MATH_0___ del foc fret i es deposita en la cantitat ___MATH_1___ en el foc calent, per a lo que s'aporta un treball ___MATH_2___. Els principis enunciats per Carnot[2] es poden expressar ací del modo següent:
- 1.- L'eficiència d'una màquina frigorífica irreversible, sempre és menor que l'eficiència d'una reversible que opera entre els mateixos focs.
- 2.- Les eficiència de totes les màquines frigorífiques reversibles que operen entre els dos mateixos focs són iguals.
La eficiència[3] per a esta màquina tenint en conte que el benefici obtingut és la cantitat de calor ___MATH_3___ extreta del foc fret, és:
- ___MATH_4___
Per a la bomba de calor, el benefici obtingut és la cantitat de calor que deposita en el foc calent, per tant:
- ___MATH_5___
Esta és l'eficiència o el CoP[4] màxim teòric d'una màquina frigorífica o una bomba de calor que operen entre dos focs en temperatures ___MATH_6___ i ___MATH_7___, la qual cosa permet comparar màquines reals en màquines reversibles que treballen entre les mateixes temperatures;
- Si ___MATH_8___ Es tracta d'una màquina ideal reversible
- Si ___MATH_9___ Es tracta d'una màquina real[5]
- Si ___MATH_10___ És impossible que existixca tal màquina
CoP teòric de funcionament
[editar | editar còdic]Quan la màquina és real i treballa en un cicle en un refrigerante determinat, es pot representar el cicle en el diagrama corresponent: El punt 1 com es pot vore en el diagrama, està situat a l'eixida del condensador del que el refrigerante ix en estat de líquit saturat, per això està sobre eixa curva en el diagrama. A partir d'este punt el líquit passa per la vàlvula d'expansió, en la que es produïx una caiguda de pressió sense intercanvi de calor, és dir a entalpia constant. Per això la llínea 1-2 representa l'evolució del decorregut en passar per la vàlvula de laminación.
A partir del punt 2 el refrigerante entra en el evaporador. Quan ho fa, part del refrigerante ya està en estat de vapor; per l'expansió ràpida i per la calor que pren en el tram de canonada des de la vàlvula fins al evaporador. La llínea 2-3 representa l'evolució del decorregut dins del evaporador, per tant, la diferència entre la entalpia del punt 3 i la del punt 2, que es llig en l'eix de abcisas, és la cantitat de calor que ha absorbit el refrigerante per a evaporar-se, o lo que és lo mateix, la cantitat de calor que s'ha extret de l'aire ambiente, que és l'objectiu d'una màquina frigorífica, per això a este valor se li crida efecte frigorífic. La llínea és horisontal perque durant este procés de canvi de fase, la pressió permaneix constant.
- ___MATH_11___
El punt 3 és l'eixida del evaporador per tant el refrigerante estarà en forma de vapor saturat, per això es troba damunt de la curva corresponent. Despuix d'eixe punt, el vapor és aspirat i comprimit pel compressor fins a la pressió de condensació. L'evolució del refrigerante en el compressor es considera a entropía constant i queda representada en la llínea 3-4. La diferència d'entalpies d'estos dos punts és el treball teòric aportat pel compressor.
- ___MATH_12___
El punt 4 correspon a l'eixida del compressor i l'entrada en el condensador. En el condensador es va a produir un canvi de fase de vapor a líquit. Com en el cas del evaporador, la llínea representativa és horisontal, ya que es produirà a temperatura i pressió constants. La diferència d'entalpies entre el punt 4 i el punt 1 és la calor cedida a l'ambient en el condensador, que és l'objectiu de la bomba de calor. Es pot apreciar que esta calor és la suma de l'absorbit en el evaporador més el corresponent al treball del compressor, alguna cosa llògic per a tornar al punt inicial i tancar el cicle.
- ___MATH_13___
Si en estes senyes es calcula el CoP, serà:
- Per a la màquina frigorífica:
- ___MATH_14___
- Per a la bomba de calor:
- ___MATH_15___
Este valor expressa el CoP Teòric de funcionament d'una màquina frigorífica o una bomba de calor reals, que treballen en un refrigerante determinat, operant també entre dos temperatures___MATH_16___ i ___MATH_17___. Esta eficiència seguix sent teòrica, ya que el cicle traçat en el diagrama també ho és, ya que no es tenen en conte les irreversibilitat del procés.
CoP real
[editar | editar còdic]Si es duen al diagrama els valors de la pressió i temperatura del refrigerante tal com evolucionen en el funcionament d'una màquina real, el cicle teòric queda distorsionat.[6] Per una part, les pressions o temperatures al pas per evaporador i condensador no es mantenen constants, sino que sofrixen una caiguda corresponent a les pèrdues de pressió per fricció en els serpentines d'abdós bescanviadors. En el punt 3, es produïx una menuda pero brusca caiguda adicional de pressió, deguda al pas del refrigerante per la restricció de la vàlvula d'admissió. Lo mateixa ocorre en el punt 4 en la vàlvula d'escape. La pressió alcançada pel compressor, deu ser superior a la teòrica per a compensar estes pèrdues de càrrega.
Tampoc l'adiabàtica real de compressió és exactament isentrópica, sino que correspon a una transformació politrópica en exponent inferior a la adiabàtica i lo mateixa ocorre en l'expansió adiabàtica en la vàlvula, que es desvia de la vertical depenent de l'estat del vapor que queda en l'espai nociu del compressor en finalisar la carrera de descàrrega. El funcionament del cicle en règim humit o sec, té una gran influència en la desviació d'estes llínees respecte a les teòriques.
En totes estes circumstàncies, el CoP que es pot esperar d'una màquina real, és prou inferior als obtinguts anteriorment. L'influència de cada una de les irreversibilitat en la pèrdua d'eficiència del cicle, es mostren en el diagrama de sectors. En ell es veu que la major pèrdua es produïx per raó de l'eficàcia de l'intercanvi de calor. Esta, es pot millorar molt en l'us de ventiladors, pero ells suponen un consum a majors que cal contabilisar. Com s'indica, el CoP real es queda en un 15 % respecte del màxim teòric obtingut per l'equació de Carnot. Usant tècniques d'optimisació del cicle es pot alcançar fins a un 20 %.
El CoP real d'una màquina real funcionant en unes condicions determinades, es pot obtindre per la relació entre l'energia tèrmica realment extreta[7] en un temps determinat (Potència frigorífica), i l'energia consumida en el mateix temps (Potència consumida), és dir, la mida per un contador (watímetro).
CoP estacional
[editar | editar còdic]En el cas de la bomba de calor, el CoP depén molt de les condicions de l'ambient exterior, que és la font freda d'a on s'extrau la calor. Com la temperatura exterior és variable en les condicions climàtiques, el CoP instantàneu o d'un curt interval de temps, no és representatiu del rendiment que obtindrem a lo llarc del periodo hivernal, que a la postre és lo que interessa. Per a paliar-ho, s'utilisa el CoP estacional, que és un cocient entre l'energia tèrmica aportada per la màquina durant tot l'hivern i l'energia elèctrica consumida en el mateix periodo, és dir, la corresponent a calefacció en els rebuts d'electricitat de la temporada hivernal.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Çengel, Yunus A. & Michael A. Bols. Termodinàmica, pàgina 583. McGraw-Hill. isbn 970-10-0911-8
- ↑ Yunus A. Çengel & Michael A. Bols. Termodinàmica. pàgina .
- ↑ En tot tipo de màquina tèrmica, es canvia la denominació de rendiment per la de eficiència per a evitar confusió, ya que el valor obtingut en la majoria dels casos és molt superior al 100 %, la qual cosa resultaria sorprenent per a un rendiment, que normalment expressa l'efectivitat en la generació d'energia. Les màquines tèrmiques es dediquen a transportar l'energia, no a generar-la, i en eixa funció, sí es pot alcançar una efectivitat superior a l'unitat. D'esta forma un CoP = 3 significa que es transporten 3kW per cada kW que es consumix.
- ↑ CoP és l'acrònim de Coefficient of Performance. Tampoc hi ha unanimitat sobre este terme. En molts texts es denomina al coeficient d'eficiència de la màquina frigorífica CEE(Coeficient d'Eficiència Energètica) i CoP sol al de la bomba de calor. No obstant en les màquines reversibles, és dir, que tenen les dos funcions, es parla de CoP d'hivern i CoP d'estiu.
- ↑ Si el CoP és molt propenc al màxim teòric, la màquina podria existir, encara que siga dubtós que es puga alcançar tal eficiència
- ↑ Zamaro, L. T. Tècnica de les instalacions frigorífiques industrials. Edicions Gustavo Gili.
- ↑ En el cas de la bomba de calor, serà l'energia aportada al local en un temps determinat (potència calorífica) con relación a l'energia consumida en eixe mateix interval
- Este artícul conté una traducció derivada de «Máquina frigorífica» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.