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Amoniaco. Propiedades cómo gas refrigerante.
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Objetivos.
Amoniaco. Principales características del amoniaco
Análisis del ciclo de refrigeración en el diagrama Temperatura - Entropía.
Presencia del Amoniaco en la refrigeración.
Amoniaco. Principales características del amoniaco
El Amoniaco (NH 3) es empleado en la refrigeración comercial. Sus principales parámetros de operación y propiedades física - química son los siguientes:
Nota: Los parámetros de comportamiento reportados en la siguiente Tabla están referidos a una temperatura de 5 ºF en la evaporación y de 86 ºF en la licuefacción o condensación. (No considera en subenfriamiento del líquido ni el recalentamiento del vapor).
NH3 (R 717) Principales características |
Parámetros |
Udad |
Valor |
Temperatura crítica |
ºF |
271.4 |
Presión crítica |
psia |
1657.0 |
Entalpía gas @ 5 ºF (hv) |
Btu/lb |
613.3 |
Entalpía del liq @ 86 ºF (hf) |
Btu/lb |
138.9 |
Dif Entalpia (hg - hf) = Q condensación |
Btu/lb |
474.4 |
Trab_comp teor= (hd-hc)= W |
Btu/lb |
99.6 |
Entalpía gas @ 150 psia y 210 ºF (hg) |
Btu/lb |
713,0 |
Vol_espec @ 5 ºF (Vv) |
Btu/lb |
pie3/lb |
COP (Carnot = 5.4) |
-- |
4.77 |
Presión succión |
psia |
34.27 |
Presión condensación |
psia |
169.2 |
Análisis del ciclo de refrigeración en el diagrama Temperatura - Entropía.
Para comprender las bases que fueron utilizadas para calcular los parámetros del amoniaco registrados en la Tabla anterior, Principales características del amoniaco, en excel construí este rústico diagrama temperatura - entropía, que amplia los que ya nos demuestra el diagrama que presenté en la página anterior.
El ciclo de refrigeración limitado por los puntos abcdfa se refiere a las diferentes etapas que atraviesa el gas refrigerante (amoniaco en este caso) por cada equipo componente del sistema de refrigeración o proceso que se ejecuta en él. Considera que a la succión del compresor solo llega vapor refrigerante, nada de líquido. Si hay presencia de mezcla en la succión, el área es diferente y se representa por los puntos abghfa. Como se puede apreciar la primera es un área mucho mayor que la segunda.
Los principales procesos que ocurren en el ciclo son:
Línea a-b. Proceso de expansión del líquido refrigerante, pasando a la fase vapor, al atravesar la válvula de estrangulación. Este proceso ocurre tóricamente a entalpía constante, en la realidad existen perdidas que se reflejan en un incremento de la entropía. A los efectos de los cálculos de la Tabla para el amoniaco, se considera un proceso isentálpico.
Línea b-g. Proceso de evaporación. El vapor se expansiona dentro del refrigerante, a expensa del calor que absorbe del medio a refrigerar. Dentro del evaporador y a toda su longitud, la mezcla vapor - líquido se va enriqueciendo en el vapor, en la medida que gana calor del medio a refrigerar. Este proceso ocurre a temperatura y presión constante.
Línea g-h. Proceso de compresión. El vapor a baja presión se comprime, pasando el vapor a alta presión y temperatura.
Línea f-a. Proceso de condensación o licuefacción. El vapor recalentado se condensa, cediendo calor al medio ambiente a través de un fluido refrigerante. Este proceso donde el vapor recalentado se va licuando, cambiando su estado de vapor a líquido por lo que su estado es en fase mezcla, ocurre en toda la longitud del condensador, manteniendo la presión y temperatura constante.
En el diagrama se indican las zonas donde ocurren procesos irreversibles o reales. Ejemplo, la línea a-b se aleja de la teórica a-k, con un corrimiento del valor entrópico en ese punto. Igual sucede en el proceso de compresión. Los procesos de condensación, donde se cede el calor absorbido al medio ambiente y de evaporación, donde el refrigerante absorbe calor del medio a refrigerar, son procesos reales, irreversibles y por lo tanto se alejan del ciclo teórico.
La cantidad de calor cedido (QA) durante la condensación del refrigerante, al medio ambiente, se determina por la diferencia de entalpía entre los puntos dfa. En el proceso de evaporación, el calor absorbido (QB) se calcula por la diferencia de entalpía entre lo puntos bc.
Entonces QB por unidad de refrigerante, se determinará por la diferencia hc - hb, en la página anterior h2-h4. Por ser un proceso isoentalpico (entalpía constante) el valor de ha = hb, por lo que la cantidad de calor absorbido o refrigeración por unidad de refrigerante se transforma en hc - ha, en la página anterior h4-h1
El calor cedido QA al medio ambiente en el condensador se calculará por la diferencia de entalpías entre hd - ha
El trabajo de compresión (que llamaremos W) podríamos determinarlo mediante lo siguiente:
Asumiendo que la expansión es isoentálpica y la compresión isoentrópica, el trabajo de compresión será igual a la diferencia entre el calor cedido al medio ambiente y el calor absorbido del medio a refrigerar. Entonces W = (hd-ha) - (hc - ha) = hd - ha - hc + ha = hd - hc, en la página anterior h2-h1
Las pérdidas que verdaderamente existen tanto en la expansión como en la compresión, se muestran por la desviación de las líneas que tienden a valores de entropía superiores. Se puede comprobar en el gráfico anterior que las zonas encerradas entre la líneas teóricas y las reales, han sido oscurecidas. Estas áreas sombreadas representan las pérdidas de energía por la irreversibilidad de estos proceso, que debido a las transformaciones energéticas que ocurren, son naturales. Es la cuota de gasto energético que pagamos por emplear la energía y transformarla para realizar un trabajo.
El comportamiento de estos sistemas de refrigeración se mide por el indicador COP, que establece la cantidad de calor que se absorbe por unidad de energía de compresión o trabajo utilizado. Por lo tanto:
COP = Calor absorbido
[(hc - ha)]/[W hd - hc]
COP=QB/W = (h4-h1)evp/(h2-h1)comp
hd = hg
hc = hv
ha = hf
Los parámetros registrados en la Tabla anterior, Principales características del amoniaco, han sido calculados considerando que la evaporación ocurre a 5 ºF y la condensación a 86 ºF. Así fueron determinados los parámetros termodinámicos en los principales puntos del diagrama anterior y con ellos realizado los cálculos para la determinación del COP.
Si disponemos de la información de las entalpías, para los distintos valores de presión y temperatura que sean típicos y representativos de la operación del sistema, abarcando los estados durante el ciclo en que los refrigerantes se transforman y cambian su fase, podremos realizar los cálculos de los indicadores que miden el comportamiento energético de estos sistemas y detectar la ocurrencia de fallas y defectos que generen sobregasto de energía.
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Sobre el Autor: René Francisco Ruano Domínguez tiene más de 40 años de experiencia realizando trabajos de ingeniería y reparaciones en sistemas y equipos energéticos, tanto en los que utilizan energía fósil como fuentes renovables. Se inició como Operador de Planta, posteriormente Tecnólogo y más tarde, Gerente Técnico en Plantas de Conversión y Refinación de Fuel Oil y Nafta. Ha sido Fundador y Gerente Técnico de Equipos de Ingeniería Energética, dirigidos al Proyecto, al Montaje y a los Servicios Técnicos en los Sistemas de Calor y Frío, abarcando la generación, distribución , uso y control del vapor y el agua caliente. En los Sistemas de Frío, en equipos de bajas temperaturas (refrigeración y producción de hielo), medianas temperaturas (conservación) y altas temperaturas (Aire Acondicionado), tanto en industrias como en comercios. Desde hace 10 años, se dedica a la programación de Calculadores, Instructivos y Artículos Técnicos, con el fin de expresar experiencias simplificándo la información de alto valor agregado, programando materiales online que transmiten y miden la eficiencia y los niveles de contaminación por el uso de la energía, en equipos y sistemas energéticos. Aspira que todos los interesados puedan acceder, informarse y actuar para bien de nuestro Planeta y de sus economías |
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