Analisis comparativo haciendo uso de criterios de segunda ley de

ANÁLISIS COMPARATIVO HACIENDO USO DE CRITERIOS DE SEGUNDALEY DE LA TERMODINÁMICA ENTRE DOS SISTEMASDE COMPRESIÓN DE VAPOR.Msc. Juan Carlos Armas Valdés, Dr. Juan. A .Castellanos Álvarez, Dra. MargaritaLapido Rodríguez, Dr. Mario Álvarez GuerraUniversidad de Cienfuegos, Cuba.RESUMENEn el trabajo se realiza un análisis comparativo entre dos sistemas por compresiónde vapor, para un sistema de climatización centralizada por agua heladaoperando con refrigerante R-22 y el otro con una cámara fría que utiliza comosustancia de trabajo NH3. El análisis esta basado en tres aspectos fundamentales,el primero características de trabajo de ambos refrigerantes, que incluirá rangode operaciones, consumo energético por toneladas de refrigeración, impactomedioambiental y versatilidad ante determinadas condiciones de trabajo, comosegundo aspecto la evaluación de las corrientes exergéticas de cada sistema,determinándose potenciales de desaprovechamiento de trabajo útil y por ultimo ladeterminación de sus eficiencias racionales.Este análisis del trabajo aborda otras consideraciones diferentes a los principalescriterios de representación tradicional, con lo cual se abre una ventana a lavigilancia tecnológica de sistemas térmicos.INTRODUCCIÓNEn la actualidad los sistemas por compresión de vapor por sus características detrabajo superan a otros métodos de obtención de frío debido que se puedenobtener muy bajas temperaturas con un equipamiento muy compacto, haciéndoseextensivos a casi a todas las aplicaciones de frío, estos sistemas tienen comodesventaja que son altos consumidores de energía eléctrica pero este aspecto nolimita su competitividad. Hay que destacar que existen métodos como larefrigeración por absorción que desde el punto de vista de consumo energíaconsumen mucho menos que los sistemas por compresión de vapor pues utilizanpotencial térmico excedente de sistemas térmicos, pero los coeficiente de

funcionamiento del ciclo son muy bajos por lo que se tiene que destinar grandesáreas de intercambio de calor haciendo estos sistemas muy voluminosos.Los sistemas por compresión de vapor utilizan como sustancia de trabajorefrigerantes que tienen como propiedad que ebullen a muy bajas temperaturas,por lo que pueden absorber gran cantidad de calor. Cada uno de estosrefrigerantes están ligados a determinadas aplicaciones por sus propiedadestermodinámicas. Unos de los aspectos a considerar a la hora de seleccionar unsistema de refrigeración por compresión de vapor, es el tipo de refrigerante autilizar como sustancia de trabajo, pues cada uno de ellos tienen suspeculiaridades propias que definen su aplicación y su rango de condiciones detrabajo.Entre los aspectos a tener en cuenta están:Calor latente de vaporización: Esta propiedad del refrigerante define el poderde absorción de calor, por lo que al aumentar este aumenta la potencia frigorífica.El NH3 presenta un calor latente de vaporización considerablemente alto encomparación con los otros refrigerantes analizados, seguido por el R22, R 13, R12y el R 14.Densidad del vapor refrigerante: Propiedad que interviene directamente en lacapacidad del compresor y en el dimensionamiento de los tubos. Una altadensidad del vapor acompañado de un calor latente alto (m3/t) es conveniente enun refrigerante, pues un caudal reducido hace posible la adopción de un equipocompacto y diámetro de tubo menor. El volumen de refrigerante por capacidad derefrigeración aumentan en el siguiente orden NH3,R-22, R500,R12,R-14,R11,R113. Comparando el Nh3 (0.098 m3/t) con el R-22(0.102m3/t) se puedeapreciar que trabajando con el nh3 se puede obtener el efecto deseado con un3.92% de flujo de refrigerante menor en comparación con el R-22.Presión de trabajo: Esta propiedad de los refrigerantes es muy importante pueses la que define el rango de trabajo del sistema, para una temperatura saturaciónla presión de los refrigerantesAumentan en el siguiente orden: R-113, R11, R114, R-12, R500,R22 , NH3

Coeficiente de funcionamiento y potencia por tonelada: Esta característica esun aspecto importante a evaluar en la elección, el COP real de los refrigerantespuede compararse con el valor máximo posible correspondiente al ciclo deCarnot. Al realizarse una comparación entre el COP real y el teórico no ocurreuna variación considerable entre los refrigerantes variando entre 0.845 (NH3) y0.817(R 40), sin embargo en cuanto a la potencia por tonelada aumenta en elorden siguiente: ciclo de Carnot 0.82, R11 (0.93), R113 (0.96), NH3 (0.99), R-12(1.00),R22 (1.01).Como se ha podido ver hasta el momento el refrigerante por excelencia es el NH3por sus propiedades termodinámicas que le confieren característicasexcepciónales para su empleo en la refrigeración, pero presenta como limitantesu alta toxicidad por lo que impide su uso en lugares ocupados por grandesgrupos de personas, pero en la aplicación industrial (bajas temperaturas) sonampliamente difundidos, compiten en estas aplicaciones con el R22 cuando enestas aplicaciones debe tenerse en cuenta la toxicidad.El R12 es el mas ampliamente usado en aparatos de refrigeración domestica ycomercial por su propiedad de trabajar a bajas presiones de funcionamiento y lapequeña potencia necesaria por tonelada, pero tiene como inconveniente queposee por pertenecer al grupo de los clorofluor carbonados un alto potencial dedestrucción de ozono (1.00). Siendo altamente agresivos al medio ambiente ycontribuyendo grandemente al calentamiento global, por estas razones suproducción ha cesado, superado en este sentido por el R22 que presenta unpotencial de destrucción de ozono bajo (0.05) por lo que su producción ha sidoprolongada hasta el 2040. Estos dos refrigerantes compiten en varias aplicacionespor sus propiedades termodinámicas, las ventajas del R12 sobre el R22 son sumenor costo, mas baja presión de condensación y menor temperatura a la salidadel compresor, mientras el R22 lo supera en que puede lograr el mismo efectodeseado con un trasiego menor de refrigerante, por lo que el compresor será mascompacto, sin embargo la potencia del motor será la misma en los dos casospues la potencia consumidas por toneladas son casi idénticas

Hoy en día por los problemas medio ambientales se ha hecho necesario lasustitución de los refrigerantes clorofluorcarbonados, sustituyéndose estos porrefrigerantes alternativos de similares características, entre los refrigerantes masutilizados en la actualidad se encuentra el R134A como sustituto del R12 y el R22desplazando a estos y predominando en la aplicación de refrigeración comercial,domestica y de acondicionamiento de aire en autos, el R22 por sus propiedadesquímicas, aunque presenta cloro, fluor, Carbono entre sus compuesto tienepresente el hidrogeno, elemento que hace inestable en el medio al fluordisminuyéndose así el poder destructor de ozono, este refrigerante esampliamente difundido en la aplicación de aire acondicionado.Análisis termodinámicoAl evaluar termodinámicamente el ciclo por compresión de vapor en un altoporciento de la bibliografía consultada, los estudios están basados en análisis deprimera ley, realizándose a partir de su consumo energético por tonelada, o através del coeficiente de funcionamiento del ciclo (COP), evaluación que no tieneen cuenta la calidad de las transformaciones energéticas que podría aportar unaserie de criterios para la evaluación de las condiciones de trabajo. El método deanálisis derivado de la segunda ley permite comparar procesos de naturalezadiferente determinado en ellos potenciales de desaprovechamiento de trabajo útil.Cuando se aplica en un sistema un análisis de segunda ley unos de los aspectosclaves a definir es el medio hacia el cual evolucionara el sistema en estudio, estemedio es llamado estado de referencia, existen disímiles criterios para suselección, la mayoría de los autores [ 1,2,5] toman como referencia unatemperatura entre 20-25 C y presión de una atmósfera.En los casos analizados hay que tener en cuenta que se trabaja con sistemas quesu destino es la producción de frió, por lo que parte del sistema presentaratemperaturas muy por debajo de las condiciones de contorno por ende latransferencia de calor en estos puntos ocurrirá del medio hacia al sistema. Enestos puntos del sistema pueden aparecer corrientes exergéticas negativas, estascorrientes negentropicas son neutralizadas según la literatura consultada [ 5 ]afectando cada una de las corrientes exergéticas adicionándole el flujo exergético

Figura I3Circuitoprimario(R22 ó NH3)24115 6A continuación en las tablas 1.1 y 1.2 se muestran los resultados de los cálculosrealizados a ambos sistemas a partir de los cuales se hará la comparación:Tabla 1.1NH3m[Kg/s]P[Mpa]T[C]h[Kj/kg]e[Kj/kg]E[KW]1 0.082 0.27 -10 1671 2.8 0.232 0.082 1.1 119 1947 222.9 18.283 0.082 1.1 25 536 156.6 12.844 0.082 0.27 -12 536 142.6 11.695 16.33 -- -5 19.95 0.00 0.006 16.33 -- -7 14.25 0.554 9.05Tabla 1.2m P T h e ER22 [Kg/s] [Mpa] [C] [Kj/kg] [Kj/kg] [KW]

1 0.71 0.4826 -1.0 251.56 55.79 39.612 0.71 1.655 38.0 283.79 32.05 22.763 0.71 1.655 38.0 102.30 26.01 18.474 0.71 0.4826 -1.0 102.30 14.97 10.635 11.94 -- 10.0 41.99 0.00 0.006 11.94 -- 8.0 33.60 1.17 13.96Analizando los resultados anteriores se pueden apreciar que existe una grandiferencia entre las corrientes exergéticas de ambos ciclos, esto viene dado porla diferencia de las presiones de trabajo de ambos refrigerantes. En el casoespecífico del R22 trabaja en un rango de presiones más amplio que el NH3, porlo que el sistema se encuentra mas alejado de las condiciones a las cualesevolucionara el sistema. A partir de la obtención de las corrientes exergéticas deentrada y salida a cada componentes se esta en condiciones para ladeterminación de las irreversibilidades, las cuales servirán como patrón decomparación en cuanto al potencial de desaprovechamiento de trabajo útil deambos sistemas. Para la obtención de dichas irreversibilidades el sistema fuedividido en cinco zonas (ver figura 1). Para los cálculos de las irreversibilidades setuvo en cuenta tanto la interacción entre el circuito primario y secundario como lainteracción entre el medio y el sistema de refrigeración. Las ecuaciones utilizadaspara el cálculo de las irreversibilidades por zonas pueden ser observadas desdela ecuación 1.1 hasta 1.6. En la tabla 1.3 se muestra las irreversibilidades porzonas de cada sistema, estos cálculos se encuentran representados en la figura 2Tabla 1.3Irreversibilidadzonas Nh3 R22 IncidenciaI 7.65 16.86 54.62II 5.44 4.28 21.32III 1.15 7.88 85.40IV 2.41 2.26 6.22V 1.87 2.85 34.38

[1.1] IIWel+ E 1− E2[1.2 ] I II= E 2− E3[1.3 ] I III= E 3− E4= ( I ) = W ⋅ ( 1−ηη )Im.el[1.4 ] = ( E − E ) − ( E − )II IV4 1 6E5V= E6− E5− E c[1.5] ( )Qelmel[1.6]EQc= −QrefTU− T0⋅TUFigura 2Análisis Comparativo entre los SistemasNH3 y R22Porciento de incidencia9080706050403020100compresorcondensadorevaporadorNH3R22IncidenciacomponentesComo se puede observar en la tabla 1.3 el sistema de climatización centralizadopor agua helada supera en gran medida desde el punto de vista de lasirreversibilidades al ciclo de refrigeración por compresión de vapor con NH3 de lacámara fría en estudio, solo en uno de los componentes del ciclo (Condensador) elsistema de NH3 supera en un 21.32 % a las irreversibilidades que se obtienen enel ciclo de climatización con R22. Esto viene dado por las características propiasdel NH3 que presenta un calor de cambio de fase relativamente grande encomparación con el R 22 siendo más amplio este proceso generándose así unamayor irreversibilidad.

Con el método derivado de la segunda ley no solo se pueden evaluar procesos,además permite evaluar el producto final de la instalación y su interacción con elmedio, en los casos analizados se compara producción de frío para conservarproductos y el enfriamiento de agua para la climatización en cuanto a laevolución de estos locales hacia el medio, obteniéndose como resultado que parala climatización del local un 34.38 % mayor de irreversibilidad.Otro criterio para la evaluación del sistema basado en este método es el de laeficiencia exergética gruesa del sistema, con el se saldría de los principalescriterios de representación tradicional, en los cuales se evalúa la eficienciaenergética del sistema o se evalúa la razón entre los flujos teóricos y realesusualmente aplicados a componentes de sistema (rendimiento volumétrico,isentrópico, etc.), por lo que se estará evaluando el sistema desde el punto deperfección termodinámica. Al calcular la eficiencia exergética gruesa del sistemase estará incluyendo el efecto del incremento de las irreversibilidades para los dosprocesos de transferencia de calor, involucrando el flujo de agua helada en el casodel sistema de climatización y la solución salina en el caso de la cámara fría. Elprimer proceso de intercambio de calor será entre el agua de retorno del local aclimatizar o la solución salina en el caso de la cámara y el refrigerante y elsegundo proceso entre el agua helada o la solución salina y el aire del local aclimatizar o la cámara fría, la temperatura de estos últimos estará en función de lacarga térmica que reciba dichos locales. la eficiencia exergética gruesa (eficienciaracional) de los sistemas es calculo mediante la ecuación 1.7.[1.7]µmedBE=WQccompAl realizar los cálculos se obtuvo como resultado que para la cámara fría laeficiencia gruesa del sistema es de un 23.75% mientras que para el sistema declimatización centralizada se obtuvo una eficiencia gruesa de un 15.34 %, estadiferencia esta dada debido a las condiciones a la cada trabaja ambos ciclos, puesla cámara de fría presenta una temperatura nueve veces inferior en el evaporadorcomparada con la temperatura que se obtiene en este componente en el sistemade climatización, aumentando de esta forma el incremento de Exergía útil ( E ) deQc

la instalación final ( cámara fría) y por ende aumenta la eficiencia exergéticagruesa del sistema.Analizando las ecuaciones 1.6 y 1.7 se puede observar como un incremento dela temperatura ambiente incide directamente en el aumento de la exergía útil delsistema, el calor absorbido, el rendimiento de Carnot y el trabajo de compresión,pero sin embargo incide negativamente en la eficiencia del sistema, pues con elaumento de temperatura ambiente aumenta la temperatura de condensación y porende aparecerá un aumento de la presión de condensación, disminuyendo deesta forma el rendimiento volumétrico e isentrópico del compresor. Por estasrazones aumenta la potencia consumida.Después de realizar el análisis comparativo entre ambas instalaciones se hapodido describir cuan efectivo puede ser la utilización del método derivado de lasegunda ley para la evaluación de procesos, que van desde el análisis físico porcomponentes, comparación de procesos diferentes en cuanto a la determinaciónde potenciales de desaprovechamiento de trabajo útil hasta la determinación decostes , optimización de procesos y criterios de vigilancia tecnológica. Un ejemplode este ultimo criterio es como a partir de la eficiencia gruesa del sistema, sepuede obtener un rango de trabajo que permita trabajar en regímenes adecuadosen función de la temperatura ambiente y la temperatura deseada en el evaporador,parámetros que deben ser monitoriados constantemente en grandes sistemas declimatización por el alto consumo energético que implica la operación de estos,otras de las bondades en cuanto a vigilancia tecnológica que ofrece la segundaley es como a partir de ella se fusionan dos grandes problemas a la hora de laconcebir una instalación que son la selección del equipamiento y regímenesóptimos de explotación.Conclusiones :1. Al realizar el análisis de los refrigerantes se puede observar como abarcanen función de sus propiedades físicas diferentes rangos de trabajos yaplicaciones, e incluso determinan el consumo de potencia por efectodeseado( producción de frio).

2. para el análisis exergético en sistemas de frío se hace necesario hacerreajustes en la selección del estado de referencia y afectar cada unos delos coeficientes obtenidos por el mayor negativo con el fin de resolver elproblema de las exergías negativas en estos sistemas por trabajar enalgunos de sus componentes a temperaturas por debajo de la temperaturaambiente.3. Al realizar un análisis de irreversibilidad entre ambos ciclos se obtuvo que elsistema de climatización centralizado posee un desaprovechamiento detrabajo útil mayor que el sistema de la cámara frío dado por las condicionesa las que trabaja dicho sistema.4. el método de análisis derivado de la segunda ley permite por sus bondadesutilizarse como herramienta para la selección y optimización de sistemas,abriendo de esta modo una ventana para la vigilancia tecnológica deequipamientos.Bibliografía:1. Armas Valdes Juan Carlos. Gestión Energética y Potenciales de Ahorro enel Sistema de Climatización del Hotel ¨La Unión¨. Tesis en Opción delGrado Científico de Master en Ciencia Técnica; UCF (CF), 2004 – 91h.2. González Petit Jean Miguel. Procedimiento de calculo basado en costosexergoeconomico- ambientales para la evaluación de sistemas derefrigeración por absorción. Tesis en opción al grado de Doctor en CienciasTécnicas, UCLV.2005.3. Morán, M.J, Shapiro, H.N Fundamentos de Termodinámica Técnica.Editorial Reverte. Barcelona. 1995.4. Stoecker, W. F. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire / W. F.Stoecker.— España; Ediciones del Castillo. 1976.-- 406p.1985.5. T.J.Kotas. The exergy method of Thermal Plant analysis. Department ofmechanical engineering, University London. pp 192-196, 1985.6. Taguchi,G.Taguchi on Robust Technology Development. Bringing QualityEngineering Upstream. ASME Press, New York. 1993.7. The ASHRAE Handbook CD. 1998.

8. Trane Air Conditioning Clinic TRG. TR016-EN. Chilled-Water System;American Standard Inc. 2001.9. V.A Kirillin, Termodinámica Técnica, 2 edición.1986.10. Whitman C. William, Johnson M. William. Refrigeration and ConditioningTechnology; 5 Edition, 1124p.2005.11. Szargut,, Morris, Stewar. Exergy Analysis of Thermal, Quemical, andMetallurgical Processes. 1998.New york.331p