introducción
Una de las principales áreas de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. los dispositivos que producen refrigeración son conocidos comúnmente como "refrigeradores, o acondicionador de aire", y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, en donde el refrigerante es evaporado y condensado alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. para esta sección, en especifico, estudiaremos el ciclo de refrigeración de gas, mejor conocido como ciclo invertido brayton; en el cual, el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa.
para esto a continuación analizaremos el comportamiento del ciclo de refrigeración de gas o invertido brayton, para un aprendizaje didáctico.
ciclo invertido brayton
Si se considera
el ciclo de refrigeración de gas que se muestra en la siguiente figura. Los
alrededores están 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 presión y temperatura altas en el estado 2 se enfría después a presión constante hasta T0 al rechazar calor hacia los alrededores.
- luego se efectúa una expansión en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4.
- Por último, el gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1.
características:
- Los procesos anteriormente descritos son internamente reversibles.
- el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas.
- En los ciclos reales de refrigeración de gas, los procesos de compresión y expansión se desviarán de los isentrópico, y T3 será más alta que T0 a menos que el intercambiador de calor sea infinitamente largo.
- En un diagrama T-s, el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor removido del espacio refrigerado; el área encerrada 1-2-3-4-1 representa la entrada neta de trabajo. La relación de estas áreas es el COP para el ciclo, que se expresa como
siendo en este caso:
diferencias entre el ciclo de Carnot invertido y el ciclo invertido brayton
El ciclo de refrigeración de gas se desvía del ciclo de Carnot
invertido debido a que los procesos de transferencia de calor no son
isotérmicos. De hecho, la temperatura del gas varía de manera considerable
durante el proceso de transferencia de calor. En consecuencia, los ciclos de
refrigeración de gas tienen COP menores respecto de los ciclos de refrigeración
por compresión de vapor o con relación al ciclo de Carnot invertido. Esto
también se deduce del diagrama T-s en la figura a continuación. El ciclo de Carnot invertido consume
una fracción del trabajo neto (área rectangular 1A3B), pero produce una cantidad mayor de refrigeración (área
triangular bajo B1). A pesar
de su bajo COP, los ciclos de refrigeración de gas tienen dos características deseables:
incluyen componentes simples más ligeros (que los hacen adecuados para el
enfriamiento de aviones) y pueden incorporar regeneración (por lo que son
adecuados en la licuefacción de gases y en las aplicaciones criogénicas).
Ciclo de refrigeración de gas con regeneración
El enfriamiento regenerativo se logra al insertar un intercambiador
de calor a contraflujo dentro del ciclo. Sin regeneración, la temperatura de
entrada más baja de la turbina es T0, la temperatura de los alrededores o de
cualquier otro medio de enfriamiento. Con regeneración, el gas de alta presión
se enfría aún más hasta T4 antes de expandirse en la turbina. La disminución
de la temperatura de entrada de la turbina reduce automáticamente la
temperatura de salida de la misma, que es la temperatura mínima en el ciclo. Es
posible conseguir temperaturas muy bajas cuando este proceso se repite.
videos explicativos
para ilustrar un poco mas el ciclo de refrigeración de gas:
Cengel.
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