Análisis Energético Y Exergético De La Planta De Hielo De Baja Capacidad Del Combinado Lácteo De Pinar Del Río

Análisis energético

1. Resumen

2. Termodinámica de la refrigeración

3. Análisis exegético a la Planta de Hielo

4. Bibliografía

Análisis energético y exergético de la planta de hielo de baja capacidad

del Combinado Lácteo de Pinar del Río

RESUMEN

Uno de los aspectos fundamentales en el desarrollo de un país lo representa el nivel de la actividad industrial, dentro de ellas una de las actividades más importantes es la de la refrigeración, sobre todo en los países tropicales.

Desde los primeros años de la década del 80, en Cuba se planteó la necesidad de establecer una política energética, orientada alcanzar una máxima eficiencia y ahorro de energía, específicamente el aprovechamiento de los recursos energéticos nacionales.

Este trabajo aborda el cálculo y el análisis exergético y energético de una fábrica de hielo

El mismo consta de 3 capítulos fundamentales:

1. Aspectos teóricos de la termodinámica de la refrigeración, así como conceptos teóricos de la exergía y principales aspectos a tener en cuenta en el análisis energético.

2. Análisis energético de las instalaciones de refrigeración.

3. Aplicación especifica del análisis energético a la fábrica de hielo.

Capítulo 1.Termodinámica de la refrigeración.

1.1 Termodinámica de la Refrigeración.

Si se cuenta con un sistema cuya temperatura sea inferior a la del medio en que se encuentra, observaremos que hacia el fluye calor espontáneamente. Por tanto la misión de la técnica frigorífica es la de absorber calor a este sistema y mantener baja su temperatura, donde este calor absorbido debe ser cedido al medio ambiente exterior.Según el segundo principio de la termodinámica este proceso no es espontáneo, ya que contradice precisamente la definición del principio. Por lo tanto, para alcanzar y mantener temperaturas por debajo de la temperatura ambiente será necesario emplear una cierta energía. La absorción de calor a temperaturas inferiores a la ambiente recibe el nombre de refrigeración o técnica del frío.

Máquina frigorífica.

Según el segundo principio, la trasmisión espontánea de calor de un recinto frío que esta a una temperatura T0, hacia el medio ambiente exterior que se encuentra a la temperatura superior Tu, es un fenómeno imposible. Para realizar este proceso, será necesario emplear una cierta cantidad de energía que provenga del exterior. La instalación a emplear es una maquina frigorífica.

Una máquina frigorífica absorbe del recinto frío el calor Q0, a la temperatura constante T0< Tu y cede, al medio ambiente exterior, el calor Q a la temperatura Tu. Para accionar la maquina se deberá ceder trabajo técnico Wt desde el exterior. Su misión no es la de transformar calor en trabajo, sino elevar el calor de un nivel de temperatura inferior a otro superior, para lo cual se precisa de consumo de trabajo.

La producción de frío según el sistema de refrigeración mecánica se basa en los 3 principios siguientes:

• Todos los líquidos al evaporarse absorben calor de cuanto los rodea.

• La temperatura a la que hierve o se evapora un líquido depende de la presión que se ejerce sobre dicho líquido.

• Todo vapor puede volver a condensarse, convertirse en líquido si se comprime y se enfría debidamente.

En efecto, el sistema de refrigeración mecánica, para enfriar u local o producto se hace evaporar un determinado liquido en un aparato adecuado, con el fin de que el calor latente necesario para la evaporación se extraiga de ese local o producto que se desea refrigerar. Además variando la presión sobre el líquido que se evapora, produciendo frío, se modifica la temperatura de ebullición, y por consiguiente se podrá regular la temperatura del local o producto a enfriar. Por otro lado se recoge el vapor formado durante la ebullición del líquido refrigerante, comprimiéndolo en un compresor adecuado y enfriándolo en un condensador, se convierte nuevamente en líquido el cual puede repetir el proceso formando un ciclo.

Para valorar energéticamente una máquina frigorífica se define el coeficiente de eficiencia

Relacionando el frío producido Q0 y el trabajo empleado Wt. La cantidad de calor extraída a la fuente fría se denomina poder refrigerante Q0 y relacionándolo con el trabajo mecánico Wt entregado en el ciclo, se obtiene el coeficiente de efecto frigorífico.

También es muy frecuente referir al coeficiente de prestación como:

El balance de energía basado en el primer principio es:

O bien:

Si tenemos en cuenta que Wt y Q son negativos:

Pudiendo tomas esta expresión valores mayores o menores que la unidad.

En la siguiente figura se ilustra un esquema que representa a una maquina frigorífica y las fuentes de energía:

El coeficiente de eficiencia de una maquina frigorífica esta limitado superiormente por el Segundo Principio de la Termodinámica.

1.2 Teoría de la Exergía.

Analizamos a base del concepto de capacidad de trabajo técnico, la energía mínima requerida para realizar la refrigeración. La capacidad de trabajo técnico

Aq=

Una absorción de calor por el sistema a temperaturas T0<Tu disminuye su capacidad de trabajo técnico (Exergía), y una perdida de calor del sistema aumenta su capacidad de trabajo técnico. En consecuencia, si un recinto frío a la temperatura constante T0 le absorbemos el calor Q0, su Exergía aumentará en:

Debiendo tener en cuenta que Q0 es negativo o sea, la maquina térmica que absorbe el calor Q0 del recinto frío, le cede la Exergía Aq0.Esta Exergía representa el trabajo mínimo necesario para producir el frío Q0. A una instalación frigorífica reversible por lo tanto, se le debe ceder trabajo técnico:

Su coeficiente de eficiencia valdrá:

Se observa que disminuye marcadamente cuando T0 baja. Por lo tanto, la producción de frío es tanto mas cara cuanto menos sea a la que se deba producir y mayor sea la temperatura ambiente.

En una máquina frigorífica irreversible habrá pérdidas de Exergía.Considerando que la máquina frigorífica, el recinto frío y el medio ambiente forman un sistema total adiabático, cuyo incremento de entropía sea ,la Exergía perdida será:

Ev= Tu

En un diagrama de exergía de una instalación frigorífica irreversible muestra como el trabajo técnico a ceder, aumenta con las perdidas de exergía.

El grado de reversibilidad de la instalación que representa una medida de su calidad es:

El coeficiente de eficiencia nos indica la calidad de la instalación. Esta nos viene expresada por la relación entre en la que se ponen de manifiesto las pérdidas realmente existentes.

La exergía perdida Ev equivale al trabajo inicial que hay que ceder a la instalación frigorífica irreversible en comparación a la reversible. El trabajo no se emplea en aumentar la producción de frío, sino solo en cubrir las irreversibilidades e la instalación degradándose el calor que se cede al medio ambiente.

1.3 Sistema de refrigeración por compresión

Este sistema está integrado por cuatro elementos fundamentales: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión; ordenados en una instalación de tal forma que puedan realizar los procesos que componen un ciclo invertido.

El ciclo es un conjunto de procesos que se producen siempre en el mismo orden, de forma tal que la sustancia de trabajo, al concluir el ciclo, tiene las mismas condiciones de estado que cuando comenzó. Este es un ciclo invertido, en el cual se absorbe calor en el foco frío, el sistema recibe trabajo y cede al foco caliente una cantidad de calor igual al calor absorbido, más el equivalente térmico del trabajo recibido.

En este sistema el foco frío es el medio que se desea enfriar absorbiendo calor a baja temperatura en el evaporador, después se le suministra la energía necesaria, mediante el compresor, para alcanzar las condiciones a las cuales puede ceder calor al foco caliente, por medio del condensador. El compresor succiona los vapores del refrigerante y eleva la presión hasta alcanzar la temperatura requerida, que permite ceder al medio circundante, ya sea agua o aire ambiente, el calor necesario para enfriar y condensar el refrigerante a presión constante, a fin de devolverle la condición de liquido saturado, después el refrigerante pasa por la válvula de expansión donde se lleva a la presión y a la temperatura del evaporador para reiniciar el ciclo de refrigeración.

A continuación se representa el ciclo de refrigeración en el diagrama presión vs. entalpía, correspondiente al sistema simple de refrigeración mecánica:

De 1-2 se realiza un proceso de compresión, por lo general politrópico o isoentrópico, aunque a efectos prácticos en la solución de problemas, este se puede considerar siempre como isoentrópico.

S1 = S2 p2 >p1 y T2 > T1

De 2-2’ el refrigerante se enfría a presión constante hasta la temperatura de condensación, de ahí hasta la posición 3 se realiza la condensación.

p2 = p3 T2´ = T3

En la posición 3 el refrigerante sufre una expansión isoentálpica, hasta alcanzar la presión de succión (posición

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