Ciclo de refrigeracion

5. CICLO DE REFRIGERACIÓN
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración
1.2. Simular un ciclo de refrigeración
1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración
2. INTRODUCCION
Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, ademásdel medio refrigerante. En el ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 1, la corriente “1” contiene propano líquido saturado a una temperatura de 122 °F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La mezcla líquido-vapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de 0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1” en estado delíquido saturado
Figura 1. Ciclo de refrigeración
Válvula de Joule-Thompson
En este tipo de válvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la temperatura, la fracción de vapor y la composición de la corriente “1” HYSYS hace un cálculo de evaporación espontánea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En una válvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 laexpansión es isoentálpica, los flujos y las composiciones de las corrientes “1” y “2” también son iguales y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la caída de presión permisible en la
válvula, HYSYS calcula la presión de la corriente “2” y completa su especificación mediante un cálculo de evaporación espontánea P-H
Evaporador
En el calentador que muestra la Figura 1, el propósitoes vaporizar completamente la corriente “2”. Las corrientes “2” y “3” son de flujos y composiciones iguales, pero el calor suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. Un balance de energía en el evaporador es el siguiente.
3322hFQhF=+ (5.1)
Siendo F’s y h’s , los flujos de las corrientes y las entalpías de las corrientes y Q el flujocalórico cedido a la corriente “2”
El análisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la caída de presión en el intercambiador, su especificación completa es posible alcanzarla de dos maneras a saber:
1. Fijando el valor de “Q”, la ecuación (1) permite el cálculo de la entalpíade la corriente “3” y HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para su especificación completa
2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente “3”, HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea T-P y, por lo tanto, de su entalpía. Con la ecuación (1) se calcula, entonces, el flujo calórico requerido en el evaporador
Compresor
El compresor que muestra la Figura 1 operaisoentrópicamente. Las corrientes “3” y “4” son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con la siguiente ecuación
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−−1113433kksPPVPkkW (5.2)
Siendo k = Cp/Cv,, P’s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V3, el volumen específico de la corriente de entrada
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Pero el trabajo real se calcula fijando unaeficiencia isoentrópica para el compresor o mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir
3,4,HHWWrealcaisoentrópisreals−=−=−η (5.3)
En este tipo de compresor el número de grados de libertad es C + 4. Si se especifica completamente la corriente de entrada, el número de variables de diseño requeridas es dos
Si se fija la presión de la corriente desalida (o el ΔP en el compresor) y la eficiencia del compresor, se calcula su trabajo isoentrópico con la ecuación (5.2) y su trabajo real con la primera igualdad de la ecuación. La entalpía de la corriente “4” se calcula con la segunda igualdad de la ecuación (5.3). HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”.
Condensador
El análisis...