ciclo de refrigeracion

UNIDAD

El Ciclo de Refrigeración

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Indice

Indice Unidad II: “El Ciclo de Refrigeración” 1. INTRODUCCI INTRODUCCIÓN... ÓN......... ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ........ 1 2. DIAGRAMAS DIAGRAMAS PRESIÓN PRESIÓN - ENTALPÍA.......... ENTALPÍA................ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. .......... .... 1 3. PROCESOS PROCESOS DE REFRIGER REFRIGERACIóN....... ACIóN............. ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ........... .... 5 3.1. COEFICIENT COEFICIENTEE DE COMPORTAMIE COMPORTAMIENTO NTO ............. ................... ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ...... 7 3.2. EFECTO EFECTO SOBRE SOBRE LA CAPACID CAPACIDAD.......... AD................ ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ........ 8 4. CICLO COMBINADO COMBINADO DE REFRIGERA REFRIGERACIÓN CIÓN CON 2 EVAPORADOR EVAPORADORES ES ............. ................... ............. ...........13 ....13 5. SÍMBOLOS SÍMBOLOS UTILIZA UTILIZADOS DOS EN EN SISTEMAS SISTEMAS DE REFRIGER REFRIGERACIÓN... ACIÓN.......... ............. ............. ............. ............. ..........15 ...15 6. SÍMBOLOS SÍMBOLOS ELÉCTRIC ELÉCTRICOS OS...... ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. .........19 ..19

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Refrigeración Industrial

UNIDAD II EL CICLO DE REFRIGERACIÓN 1. INTRODUCCIÓN Los componentes descritos en la unidad I no podrían realizar ningún proceso sin la aplicación de algún ciclo termodinámico que logre el frío en alguna de sus etapas. Este ciclo termodinámico es el ciclo Rankine invertido, que es la base para el ciclo básico de refrigeración que hace un (fluido) refrigerante al pasar por cada componente principal. La forma más fácil de comprender este comportamiento del refrigerante es el estudio de los procesos en los que interviene en el Diagrama de Mollier, en el cual puede verse como una “radiografía” todos los estados energéticos por los que pasa. Asimismo cualquier variación de parámetros, tanto en operación normal o anormal del sistema, pueden visualizarse en toda su amplitud si sabemos “leer” el diagrama de Mollier. 2. DIAGRAMAS PRESIÓN - ENTALPÍA La figura 2.1 muestra un diagrama de flujo esquemático de un ciclo básico en refrigeración, denotando cambios de fase o proceso. Primero, el refrigerante pasa del estado líquido al estado de vapor cuando absorbe calor en el serpentín evaporador. La etapa de compresión, donde el vapor refrigerante incrementa su presión y temperatura, es la siguiente: el refrigerante cede su calor en el condensador al medio enfriante del ambiente y el vapor refrigerante se condensa a líquido en donde está listo para ser usado de nuevo en el ciclo.

Figura 2.1 Diagrama esquemático del ciclo de refrigeración.

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La figura 2.2 es una reproducción de un diagrama de Moliere (comúnmente conocido como una carta P-h) del refrigerante 12, la cual muestra las características de presión, calor y temperatura de este refrigerante. Los diagramas presión entalpía pueden utilizarse para graficar el ciclo mostrado en la figura 2.1, pero una carta básica o esqueleto como la mostrada en la figura 2.3 puede utilizarse como una ilustración preliminar de las varias fases del circuito refrigerante. Hay tres áreas básicas en la carta, que denotan cambios en estado entre la línea de líquido saturado y la línea de vapor saturado en el centro de la carta. El área a la izquierda de la línea de líquido saturado, es el área subenfriada, donde el refrigerante líquido ha sido enfriado por debajo de la temperatura correspondiente a su presión, mientras que el área a la derecha de la línea de vapor saturado, es el área de sobrecalentamiento, donde el vapor refrigerante ha sido calentado más allá de la temperatura de vaporización correspondiente a su presión. La construcción del diagrama o más bien un conocimiento y entendimiento del mismo puede traer una interpretación más clara de lo que sucede al refrigerante en sus varias etapas dentro del ciclo de refrigeración. Si el estado y dos propiedades del refrigerante son conocidas y si este punto puede localizarse en la carta, las otras propiedades pueden leerse fácilmente en la misma.

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Figura 2.2 Diagrama de Moliere.

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Si el punto se sitúa en cualquier parte entre las líneas de líquido y vapor saturado, el refrigerante estará en la forma de una mezcla de líquido y vapor. Si su localización está más cerca a la línea de líquido saturado la mezcla tendrá más líquido que vapor y un punto localizado en el centro del área para una presión en particular, indicará una situación de 50% líquido, 50% vapor. Refiriéndose a la figura 2.3, los cambios en estado de vapor a líquido en el proceso de condensación ocurren cuando el camino del ciclo va de derecha a izquierda; mientras el cambio en estado de líquido a vapor el proceso de evaporación va de izquierda a derecha. La presión absoluta se indica sobre el eje vertical a la izquierda y el eje horizontal indica el contenido de calor o entalpía en Kcal/Kg. La distancia entre las dos líneas saturadas a una presión dada, como se indica sobre la línea de contenido de calor, es el calor latente de vaporización del refrigerante a una presión absoluta dada. La distancia entre las dos líneas de saturación no es la misma para todas las presiones, porque no siguen curvas paralelas. Por consiguiente hay variaciones en el calor latente de vaporización del refrigerante, dependiendo de la presión absoluta. Hay también variaciones en las cartas de presión-entalpía de diferentes refrigerantes y las variaciones dependen de las distintas propiedades del refrigerante individual.

Figura 2.3 Entalpía (Kcal/Kg).

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3. PROCESOS DE REFRIGERACIÓN Teniendo como base el ejemplo presentado antes, se asumirá que no hay cambio en la temperatura del líquido refrigerante condensado después de que sale del condensador y va a través de la línea de líquido en su camino a la expansión o aparato de medición, o en la temperatura del vapor refrigerante después de que sale del evaporador y pasa a través de la tubería de succión al compresor. La figura 2.4 muestra las fases del ciclo saturado simple, con rótulos apropiados de presiones, temperaturas y contenidos de calor o entalpía. Un punto de partida debe escogerse en el ciclo refrigerante; permítase que sea A, sobre la línea de líquido saturado, donde todo el vapor a 50 °C se ha condensado a líquido a 50 °C y se halla a la entrada del aparato de medición. Lo que ocurre entre los puntos A y B es el proceso de expansión cuando el refrigerante pasa a través del dispositivo de expansión y la temperatura del refrigerante se baja de la temperatura de condensación 50 °C, a la temperatura de evaporación –10 °C. Cuando la línea vertical A - B (el proceso de expansión) se extiende hacia abajo al eje horizontal, aparece una lectura de 112 Kcal/Kg, que es el contenido de calor del líquido a 50 °C. A la izquierda del punto B en la línea de líquido saturado está el punto Z, el cual se halla también a la temperatura de –10 °C. Tomando un camino vertical hacia abajo del punto Z, se halla una lectura de 97,5 kcal/Kg, que es el contenido de calor del líquido a -10 °C. La línea horizontal entre los puntos B y C indican el proceso de vaporización en el evaporador, donde el líquido a –10 °C absorbe suficiente calor para vaporizarse completamente y está listo para el proceso de compresión. Una línea dibujada verticalmente hacia abajo hasta encontrar la línea de entalpía, indica que el contenido de calor mostrado en hc, es 135,5 Kcal/kg y la diferencia entre h a y hc es 23,5 Kcal/Kg que es el efecto refrigerante del ejemplo previo. La diferencia entre los puntos hz y hc sobre la línea de entalpía es 38 Kcal/Kg que es el calor latente de vaporización de 1 Kg de R-12 a –10 °C. Esta cantidad también sería el efecto refrigerante, pero algo del refrigerante a 50 °C debe evaporar o vaporizar para que la porción restante de cada libra de R- 12 pueda bajar su temperatura de 50 °C a –10 °C. P abs (Kg/cm2)

50°C

n ó i s e r p

temp. condensación

12,3

A

2,2

-10°C B

temp. eva oració

E

D

hd - he sobrecalentamiento = 143 - 141 = 2 Kcal/Kg

hd - hc trabajo de compresión = 143 -135,5 = 7,5 Kcal/kg

C

Efecto Refrigerante Neto hc - ha ERN= 135,5ERN= 23,5 Kcal/Kg

97,5

112

135,5

141

143

h (Kcal/Kg)

entalpía Figura 2.4

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La carta de Moliere grafica la línea de entropía constante, la cual permanece igual cuando el vapor se comprime y no se añade ni se libera calor al exterior. Cuando la entropía es constante el proceso se denomina adiabático, lo cual significa que el gas cambia su condición sin la absorción o liberación de calor, bien sea desde o hacia un cuerpo o fuente externa. Es práctica común, en el estudio de ciclos de refrigeración, dibujar la línea de compresión, a lo largo de una línea de entropía constante o paralela a ella. En la figura 2.3, la línea C -D denota el proceso de compresión, en el cual la presión y la temperatura del vapor se incrementa de la del evaporador a la del condensador, con la suposición de que no hay ganancia de calor en la línea de succión entre el evaporador y el compresor. Para una temperatura de condensación de 50 °C, un manómetro leerá aproximadamente 11,3 Kg/cm2; pero el diagrama P-h está en presiones absolutas y la presión atmosférica de 1 bar 1 Kg/cm2 aprox. debe añadirse a la presión manométrica para obtener 12,3 Kg/cm2. !

El punto D sobre la línea de presión absoluta de condensación a 50 °C; no está sobre la línea de vapor saturado, sino a la derecha en el área de sobrecalentamiento en la intersección de la línea de 12,3 Kg/cm 2 y la línea de entropía constante a –10 °C (línea C-D) punto cuya temperatura de aproximadamente da aproximadamente 64 °C. Una línea vertical desde D intercepta la línea de contenido de calor en 143 Kcal/Kg la cual es h d , la diferencia entre hc, y h d es 7,5 Kcal/kg de calor de compresión que ha sido añadido al vapor. Esta cantidad de calor es la energía equivalente al trabajo efectuado durante el ciclo de refrigeración por compresión. Esta es la temperatura teórica de descarga, asumiendo que entra vapor saturado. En la operación real la temperatura de descarga puede ser 10 a 15 °C mayor que la predicha teóricamente. Esto puede verificarse en un sistema en operación colocando un termómetro o termopar a la salida de la válvula de servicio de descarga sobre el compresor. Durante el proceso de compresión, el calor absorbido por el vapor es el resultado de la fricción causada por la acción de los pistones en los cilindros y por el vapor mismo al pasar a través de las pequeñas aperturas de las válvulas internas de succión y descarga. Por supuesto el vapor también se calienta por la acción de sus moléculas que son comprimidas, lo cual se llama comúnmente calor de compresión. Algo de este calor adicional se pierde a través de las paredes del compresor. La cantidad, por supuesto, depende del diseño del compresor, las condiciones bajo las cuales debe operar y el balance entre la pérdida y la ganancia de calor para mantener el refrigerante a entropía constante. La línea D-E denota el sobrecalentamiento que debe retirarse del vapor antes de que éste pueda comenzar el proceso de condensación. Una línea dibujada verticalmente hacia abajo del punto E hasta he,. sobre la línea de contenido de calor indica una distancia h d - h e , de 2 Kcal/Kg, debido a que el contenido de calor de vapor a 50 °C es 141 Kcal/Kg. Este sobrecalentamiento es usualmente removido en la línea de descarga de gas caliente o en la porción superior del condensador. Durante este proceso la temperatura del vapor se baja a temperatura de condensación.

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La línea E-A representa el proceso de condensación que se realiza en el condensador. En el punto E el refrigerante es un vapor saturado a una temperatura de condensación de 50 °C y una presión absoluta de 12,3 Kg/cm2; la misma temperatura y presión prevalecen en el punto A, pero el refrigerante está ahora en estado líquido. En cualquier otro punto sobre la línea E--A el refrigerante está en la fase de una combinación líquido-vapor: más cerca al punto A, mayor cantidad de refrigerante se ha condensado al estado líquido. En el punto A todo Kilogramo de refrigerante está listo para realizar nuevamente el ciclo de refrigeración cuando se requiera, para remover calor de la carga en el evaporador. 3.1. COEFICIENTE DE COMPORTAMIENTO Dos factores mencionados antes son de gran importancia en la decisión de cuál refrigerante debe usarse para un proyecto dado de remoción de calor. Esta decisión se alcanza ordinariamente durante el aspecto de diseño del sistema de refrigeración y aire acondicionado, pero se explicará brevemente ahora. Los dos factores que determinar el coeficiente de comportamiento (CoC) de un refrigerante son: el efecto refrigerante y el calor de compresión. La ecuación puede escribirse así: CoC "

Efecto refrigerante Calor de compresión

Sustituyendo valores del diagrama Ph del ciclo saturado simple presentado previamente, la ecuación sería:

CoC "

hc - ha hd - hc

"

50.34 8.52

"

5.91

El flujo de refrigerante a circular se puede determinar de la siguiente manera (por tonelada de refrigeración): CoC "

3024 ERN

"

3024 27,5

"

128,7 Kg / hr "

2,15 Kg / min

El CoC es por consiguiente una medida de la eficiencia de un ciclo de refrigeración en la utilización de la energía que se gasta en el proceso de compresión, con relación a la energía que es absorbida en el proceso de evaporación. Como puede verse de la ecuación anterior, a menor energía gastada en el proceso de compresión, mayor será el CoC del sistema de refrigeración. Por consiguiente, el refrigerante que tenga el mayor CoC, será probablemente el seleccionado suponiendo que las otras cualidades y factores son iguales.

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3.2. EFECTO SOBRE LA CAPACIDAD Los diagramas de presión y entalpía de las figuras 2.4 y 2.5 muestran una comparación de dos ciclos saturados simples que tienen diferentes temperaturas de evaporación para relevar varias diferencias en otros aspectos del ciclo. Para que pueda hacerse una comparación aproximada en base a cálculos matemáticos, los ciclos mostrados en las figuras 2.4 y 2.5 tendrán la misma temperatura de condensación, pero la temperatura de evaporación se bajará a –20 °C en la figura 2.5. Los datos pueden obtenerse o verificarse en la tabla para R-12, pero se tomará los valores A, B, C, D y E de la figura 2.5 para compararlo con los de la figura 2.4 (con –10 °C en el evaporador). El efecto refrigerante, el calor de compresión y el calor disipado en el condensador serán comparados en cada uno de los ciclos. La comparación se basará en los datos de contenido de calor o entalpía en Kcal/Kg. P abs (Kg/cm2)

a t u l

o s b a n ó i s e r p

50°C 12,3

1,5

temp. condensació

A

-20 °C

temp. evaporació

B

E

D

hd - he sobrecalentamiento = 144 - 141 = 3 Kcal/Kg

hd - hc trabajo de compresión = 144 -134 = 10 Kcal/kg

C

Efecto Refrigerante Neto hc - ha ERN= 134 -112 ERN= 22 Kcal/Kg

96

112

134

141

144

h

)


Para el ciclo con temperatura de evaporación de –20 °C mostrado en la figura 2.5: # #

Efecto refrigerante neto ( h c' - h a ) = 22 Kcal/kg Calor de comprensión ( h d' - h c' ) = 10 Kcal/kg

En comparación con los datos anteriores del ciclo con –10 °C de temperatura de evaporación (figura 2.4), se encuentra que hay un decrecimiento de E.R.N. del 6,4% y un incremento en el calor de compresión del 33%. Hay algo de incremento en el sobrecalentamiento, el cual debe retirarse bien sea en la línea de descarga o en la porción superior del condensador. Este es el resultado de bajar la temperatura de succión, manteniendo constante la temperatura de condensación.

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Se encontrará que el peso de refrigerante que se va a hacer circular por ton de refrigeración, en un ciclo con –20 °C de temperatura de evaporación y 50 °C de temperatura de condensación, es 2,3 Kg/min/ton: W

"

W

"

3024

Kcal / hr

ERN

Kcal / Kg

3024

Kcal / hr

22

Kcal / Kg

W = 137,45 Kg/hr = 2,3 Kg/min/ton

Esto, por supuesto, requerirá bien sea un compresor mayor o el mismo trabajando a mayor rpm. La figura 2.6 muestra el ciclo original con temperatura de evaporación de -10 °C, pero la temperatura de condensación se ha incrementado a 70 °C. P abs (Kg/cm2)

70°C

n ó i s e r p

E temp. condensación

19

A

2,2

-10 °C B

D

hd - he sobrecalentamient = 145 - 142 = 3 Kcal/Kg

temp. C evaporación

hd - hc trabajo de compresión = 145 -135,5 = 9,5 Kcal/kg

Efecto Refrigerante Neto hc - ha ERN= 135,5 ERN= 18

97,5

117,5

135,5

142

145

h Kcal/K


De nuevo, tomando los datos específicos de entalpía, se encontrará para el ciclo con 70 °C de temperatura de condensación que ha = 117,5; hc = 135,5; hd. = 145; y he = 142 Kcal/Kg. Efecto refrigerante neto (hc - ha ) = 18 Kcal/Kg Calor de compresión (hd - hc) = 9,5 Kcal/Kg Sobrecalentamiento en el condensador (hd - he ) = 3 Kcal/Kg En comparación con el ciclo que tiene 50 °C de temperatura de condensación, puede calcularse que, al permitir que la temperatura del proceso de compresión se incremente en 20 °C, hay un decrecimiento en el E.R.N. del 923,4%, un incremento del calor de compresión del 16,2%. Pag. 9

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Con una temperatura de evaporación de 40 °C y una temperatura de condensación de 70 °C, el flujo másico de refrigerante que se debe hacer circular será de W =3024/18 = 168 Kg/hr = 2,8 Kg/min/ton. Esto indica que aproximadamente 21,7 % más de refrigerante debe hacerse circular para realizar la misma cantidad de trabajo que se hacía cuando la temperatura de condensación era de 50 °C. Ambos ejemplos muestran que para mejor eficiencia del sistema, la temperatura de succión debe ser tan alta como sea posible y la temperatura de condensación tan baja como sea factible. Por supuesto, hay limitaciones con respecto a los extremos bajo los cuales los sistemas pueden operar satisfactoriamente y deben considerarse otros medios de incrementar la eficiencia. La economía del equipo (costo más comportamiento en operación) determina en última instancia el rango factible. En referencia a la figura 2.7, después de que el proceso de condensación ha sido completado y todo el vapor refrigerante a 120 °C está en estado líquido, si el líquido puede subenfriarse al punto A' sobre la línea de 70 °C (un diferencial de 20 °C) el E.R.N. (hc - hd,) se incrementará en 5,5 Kcal/Kg. Este incremento en la cantidad de calor absorbido en el evaporador sin un incremento en el calor de compresión incrementará el CoC de ciclo, ya que no hay incremento en el consumo de energía del compresor. P abs (Kg/cm2)

subenfriamiento E temp. condensació

70°C

n ó i s e r p

A´ 50°C

A

B´

B

D

temp. C evaporación ERN 5,5

112 117,5

135,5

h Kcal/K

entalpí Figura 2.7

Este subenfriamiento puede realizarse mientras el líquido está temporalmente almacenado en el condensador o recipiente, o algo de calor del líquido puede disiparse a la temperatura ambiente, cuando él pasa a través de la línea de líquido en su viaje al aparato de medición. El subenfriamiento puede tener lugar también en un sistema comercial enfriado por agua mediante el uso de un subenfriador de líquido, el cual, en una aplicación de baja temperatura, bien puede pagarse con el incremento en la capacidad y eficiencia total del sistema de refrigeración.

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Otro medio de subenfriar el líquido es mediante un intercambiador de calor entre las líneas de líquido y succión, en donde el calor del líquido puede trasferirse al vapor en la succión, más frío, que viaja del evaporador al compresor. Este intercambiador de calor se muestra en la figura 2.8, el cual es un diagrama de un ciclo de refrigeración que une un intercambiador de calor líquido succión. En verdad, el calor no puede retirarse del líquido y luego añadirse al vapor de succión sin un detrimento de la eficiencia total del ciclo de refrigeración, por ejemplo, el vapor será sobrecaientado, lo cual a su vez incrementará el volumen específico de cada libra de vapor refrigerante y consecuentemente producirá un descenso en la densidad. Así, cualquier ventaja de subenfriamiento en un ciclo saturado sería negada, pero en un ciclo real, las condiciones de un ciclo saturado simple no existen. En cualquier ciclo operando normalmente, el vapor en la succión no llega al compresor en una condición saturada. Se produce un sobrecalentamiento en el vapor después de que el proceso de evaporación ha sido completado en el evaporador y/o en la línea de succión, tan bien como en el compresor. Si este sobrecalentamiento se produce sólo en el evaporador, se está haciendo enfriamiento útil porque se está removiendo calor de la carga o producto, en adición al calor que fue retirado durante el proceso de evaporación. Pero si el vapor se sobrecalienta en la línea de succión localizada en el exterior del espacio acondicionado, no se realiza enfriamiento útil; más aún, éste es el que se efectúa en la mayoría si no en todos los sistemas de refrigeración.

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Figura 2.8 Diagrama de Flujo para el Sistema de Refrigeración R – 12.

Ahora, donde se produce el sobrecalentamiento en la tubería de succión por medio de un intercambiador de calor líquido-succión, este calor añadido al vapor será benéfico porque él producirá el subenfriamiento del líquido. Como un ejemplo suponga que la temperatura de succión en el evaporador es de -10 °C, el vapor sobrecalentado que sale del evaporador puede tener 0 °C y la temperatura del vapor al llegar al compresor puede ser 10 °C o más, dependiendo de la temperatura ambiente alrededor de la succión. Esto quiere decir que la temperatura del vapor ha sido incrementada en 10 °C, sin hacer enfriamiento o trabajo útil, a causa de que este calor ha sido absorbido del aire ambiente exterior al espacio que se enfría Pag. 12

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Si algo o la mayoría de estos 10 °C de incremento en el vapor, fueron el resultado de calor absorbido del líquido refrigerante, se estaría haciendo enfriamiento útil, ya que el subenfriamiento del líquido resultaría en un efecto refrigerante mayor que cuando el refrigerante alcanza el dispositivo de expansión sin subenfriamiento. Es posible alcanzar un balance aproximado entre la cantidad de calor en Kcal/Kg retirado por subenfriamiento del líquido y la cantidad de calor añadido al vapor refrigerante en la tubería de succión sin el intercambiador de calor. 4. CICLO COMBINADO DE REFRIGERACIÓN CON 2 EVAPORADORES Este ciclo de refrigeración es una variante muy utilizada en la industria pues permite: a) Utilizar 2 evaporadores en un misma cámara con distinta ubicación. b) Utilizar el mismo sistema de refrigeración para enfriar 2 cámaras de la misma temperatura. c) Utilizar el mismo sistema de refrigeración para enfriar 2 cámaras de diferente temperatura. El esquema de la disposición es como sigue:

3

4

2

40°c

5

10°c

-10°c 7

8

1

6

Figura 2.9 Ciclo combinado con 2 evaporadores.

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3 condensado 2 VALV. REGUL. PRESION DE EVAPOR

COMPRESOR PRESOST

VET evaporador 4

S

T

5 6

VET

1

evaporador (S

8

7 T

CHECK

Figura 2.10 Esquema del sistema de refrigeración con 2 compresores.

Como se verá en el sistema, cada evaporador está independizado por un conjunto termostato-solenoide que al sensar la temperatura de trabajo cierra el paso de refrigerante hacia él. Nótese que mientras que alguna de las cámaras todavía no llega a su temperatura de trabajo, el sistema permanecerá operando. Si en algún momento cuando las dos cámaras lleguen a su temperatura de trabajo, se cerrarán los 2 solenoides impidiendo el paso de refrigerante al compresor; luego éste creará una mayor presión de vacío que permitirá recién actuar al presostato para que detenga la marcha del compresor. Se nota también un juego de válvulas a la salida de cada evaporador. La check es una válvula que no permite la entrada de refrigerante del evaporador de mayor presión hacia el de menor presión, mientras que la válvula reguladora de presión de evaporación controla que el evaporador de alta presión mantenga una presión uniforme.

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5. SÍMBOLOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Los símbolos utilizados en sistemas de refrigeración se relacionan con los símbolos utilizados en electricidad. A continuación tenemos algunos de ellos:

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6. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS

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FIN DE LA UNIDAD

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