Refrigeració: Màquines Frigorífiques i Cicles Termodinàmics

La Màquina Frigorífica

La idea principal de la màquina frigorífica és extraure la calor que hi ha al seu interior cap a fora. És a dir, refredem el recipient (nevera o habitació) mitjançant l’extracció de calor del seu interior.

Màquines Tèrmiques Consumidores d'Energia Mecànica

Corresponen a aquest grup les màquines en què cal fer un treball perquè provoquin un flux d’energia tèrmica o calor, des d’un focus fred a un de calent, i això fa que provoqui un treball sobre el sistema.

Aquest tipus de màquines són la màquina frigorífica o refrigerador i la bomba de calor.

La Màquina Frigorífica o Refrigerador

La màquina frigorífica o refrigerador més emprada és la de compressor. Una màquina frigorífica consisteix en un circuit tancat (és a dir, una “canonada”) per on circula un fluid. El circuit està format per dos serpentins (tubs en forma d’espiral). La missió d’un serpentí serà condensar, mentre que la de l’altre, evaporar. Entre ells, hi haurà un compressor i una vàlvula d’expansió (i tub capil·lar).

El fluid se li diu fluid refrigerant o criogènic i normalment és un gas que se sotmet a un procés de compressió que el fa condensar i a un altre que el fa evaporar. Quan condensa, expulsa calor a l’exterior (Qh) i quan evapora (absorbeix calor de l’interior Qc).

Fluids Refrigerants

• Purs o orgànics
• Barreges
• Inorgànics

La característica principal del refrigerant és que l'evaporació es realitzi a baixa temperatura.

Normativa Refrigerants

Els refrigerants orgànics (C, H, F, Cl) es classifiquen segons la seva composició en:

• CFC's: Contenen (C, F, Cl) Carboni, Fluor i Clor (R-11, R-12)
• HCFC's: Contenen (C, H, F, Cl) Carboni, Hidrogen, Fluor i Clor, (R-22, R-123, R-124).
• HCF's: Contenen (C, H, F) Carboni, Hidrogen i Fluor (R-134, R-125, R-23, R-32, R-152, R-143)

En el protocol de Montreal es va establir la desaparició dels CFC's a partir de l’1 de gener de 1996 i de l’1 de gener de 2030 per als HCFC's, considerats de transició.

Recordem: El nombre d'àtoms de clor serà Cl= 2 (x +1) +2- (y-1)-z, (excepte per als que tenen un sol àtom de Carboni que serà: Cl= 4 - (y-1)-z.

Procés de Destrucció de la Capa d'Ozó (O3)

La radiació ultraviolada proporciona energia suficient per trencar la molècula d'ozó (molècula que evita l'escalfament global del planeta). Aquest procés no revesteix cap gravetat, ja que l'oxigen lliure en perdre l'excés d'energia es torna a unir amb una altra molècula d'O2 i es torna a generar ozó O3.

A l’estratosfera, la radiació ultraviolada, a part de trencar la molècula d'ozó, també trenca la molècula de R-12 (CF2CI2) i produeix un àtom lliure de clor i CF2CI. L'àtom lliure de clor és el que reacciona amb l'àtom lliure d'oxigen formant monòxid de clor (CIO), i ja no permet que l'O2 torni a trobar àtoms lliures d'oxigen per tornar a generar Ozó.7

La manca d'ozó elimina la capacitat d'absorció de la radiació ultraviolada, és a dir, es destrueix el filtre que ens protegeix d'aquesta radiació.

Per tant, tot aquell gas que tingui un ODP<1, serà menys destructiu de la capa d’ozó que l’R-12.

Gasos Refrigerants: Mescles

No hi ha cap refrigerant ideal, que compleixi amb les normatives aplicables i no tingui certs inconvenients (rendiment, inflamabilitat, toxicitat, etc.). Per això es recorre a mescles.

Hi ha 3 tipus de barreges:

• Azeotròpiques: tenen la mateixa composició en la fase líquida que en la fase gas. (Exemples.: R-500, R-502).
• Zeotròpiques: tenen diferent composició en la fase líquida i en la fase gasosa: (Exemples: R-401A- R-401B, R-409A).
• Semi-azeotròpica: quasi tenen la mateixa composició en la fase líquida que en la fase gas.

DEFINICIÓ de Lliscament o Glide: diferència entre la temperatura d’evaporació i la de condensació d’una mescla semi-azeotròpica d’un gas refrigerant.

Procés de Canvi de Refrigerant (de R-22 a R-407 C)

El canvi de refrigerant consisteix a netejar la instal·lació tant del refrigerant R-22 com de l'oli mineral utilitzat, per a posteriorment realitzar la càrrega amb el nou gas R-407c així com del nou oli sintètic.

El procés no és complicat, però requereix la intervenció de frigoristes qualificats o d'empreses especialitzades en aquests processos de reconversió.

L’eficiència d’una màquina de refrigeració real la designarem per COPreal. Serà inferior a la ideal, anomenada COPr. La relació entre el real i el reversible, ε, és una mesura de la irreversibilitat de la màquina real.

Cicle de Compressió de Vapor

Els elements fonamentals d'un cicle de compressió de vapor són: l'evaporador, el compressor, el condensador i un sistema d'expansió que pot ser una vàlvula o un simple tub capil·lar.

Cicles d'Absorció (Substitueix el Compressor per (Absorbedor+Generador)

Per substituir la compressió del vapor per la compressió d'una dissolució generalment aquosa (per tant, substituïm la compressió mecànica del vapor per una absorció d'aquest vapor en una dissolució i la conseqüent compressió de la dissolució).

Hi ha dos cicles bàsics d'absorció:

• El d'amoníac
• I el de bromur de liti (BrLi)

Avantatges dels Cicles d'Absorció:

• Compressió d'un líquid en lloc d'un vapor. El consum energètic d'aquesta operació és una despesa menor.
• L'energia bàsica que consumeix la màquina d'absorció és la calor que es proporciona al generador.
• La màquina d'absorció pot ser el complement valuós d'una instal·lació de cogeneració.

Inconvenients dels Cicles d'Absorció:

• La màquina d'absorció té un COP inferior, força inferior en igualtat de condicions, que el cicle de compressió de vapor equivalent.
• El cicle real d'absorció de NH3 ha d'incloure un dispositiu a la sortida del generador per eliminar el dissolvent.
• Són molt pocs els fluids frigorífics que es poden utilitzar en la màquina d'absorció.
• La màquina d'absorció és més cara (euros / kW frigorífic).

Cicles de Gas

El fluid frigorífic generalment és aire. El COP del cicle és molt baix.

Refrigeració Termoelèctrica

Està basada en l'efecte Peltier (és un fenomen físic de desplaçament de calor en presència d'un corrent elèctric).