Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

Q L
(salida
deseada)
616
CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Ambiente
caliente
R
Q H
W neto,entrada
(entrada
requerida)
Espacio
refrigerado
frío
Casa
caliente
BC
Ambiente
frío
Q H
(salida
deseada)
Q L
W neto,entrada
(entrada
requerida)
a) Refrigerador b) Bomba de calor
FIGURA 11-1
El objetivo de un refrigerador es extraer
calor (Q L ) del medio frío; el objetivo
de una bomba de calor (Q H ) es
suministrar calor a un medio caliente.
11-1 ■ REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
Todos sabemos por experiencia propia que el calor fluye en la dirección de las
temperaturas decrecientes; esto es, de las regiones de alta temperatura a las de
baja. Dicho proceso de transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin que se
requiera la participación de algún dispositivo. El proceso inverso, sin embargo,
no sucede por sí solo. La transferencia de calor de una región de temperatura
baja a otra de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados
en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. Un refrigerador
se muestra esquemáticamente en la figura 11-1a). En este caso, Q L es la magnitud
del calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura T L ; Q H es la
magnitud del calor rechazado hacia el espacio caliente a temperatura T H , y
W neto,entrada es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analizó en
el capítulo 6, Q L y Q H representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas.
Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno
de alta temperatura es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas
de calor son esencialmente lo mismo; únicamente difieren en sus objetivos.
El objetivo de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura
baja al extraer el calor de él. La descarga de este calor a un medio
de temperatura alta es una parte necesaria de la operación, no es el propósito.
No obstante, el objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio
calentado a alta temperatura. Esto se logra al absorber calor de una fuente
de baja temperatura, como el agua de un pozo o el aire exterior frío en el
invierno, y al suministrar este calor a un medio más caliente, como una casa
(figura 11-1b).
El desempeño de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en términos
del coeficiente de desempeño (COP), por sus siglas en inglés (coefficient
of peformance), definido como
Salida deseada
COP R
Entrada requerida
Salida deseada
COP BC
Entrada requerida
Efecto de enfriamiento
Entrada de trabajo
Efecto de calentamiento
Entrada de trabajo
(11-1)
(11-2)
Estas relaciones también pueden expresarse en la forma de tasa sustituyendo
las cantidades Q L , Q H y W neto,entrada por Q . L, Q . H, y W . neto,entrada, respectivamente.
Observe que tanto COP R como COP BC pueden ser mayores que 1. Una comparación
de las ecuaciones 11-1 y 11-2 revela que
COP BC COP R 1 (11-3)
para valores fijos de Q L y Q H . Esta relación implica que COP BC 1 puesto
que COP R es una cantidad positiva. Es decir, una bomba de calor funciona,
en el peor de los casos, como un calentador de resistencia, que suministra a
la casa la misma cantidad de energía que consume. En realidad, sin embargo,
parte de Q H se pierde en el aire exterior por las tuberías y otros dispositivos,
y COP BC puede caer por debajo de la unidad cuando la temperatura del aire
exterior es muy baja. Cuando esto pasa, el sistema normalmente se cambia a
un modo de quema de combustible (gas natural, propano, petróleo, etc.) o de
calentamiento por resistencia.
La capacidad de enfriamiento (la carga de refrigeración) de un sistema de
refrigeración —es decir, la tasa de calor extraído del espacio refrigerado— a
menudo se expresa en términos de toneladas de refrigeración. La capacidad
Q L
W neto,entrada
Q H
W neto,entrada