CICLOS CICLOS TERMODINÁMICOS DE REFRIGERACIÓN
Ciclo termodinámico de refrigeracin! El cicl ciclo o de Car Carnot, not, que que es comp comple leta tame ment nte e rever eversi sibl ble, e, es un perf perfec ecto to mode modelo lo de un cicl ciclo o de refri efrige gera raci ción ón que que oper opera a entr entre e dos dos temperaturas jas o entre dos uidos a diferentes temperaturas y con capacidades de calor innito Los ciclos reversibles tienen dos propiedades fundamentales, estas son: -
ing ing!n !n cicl ciclo o de refri efrige gera raci ción ón pued puede e tene tenerr un coe coeci cien ente te de performance mayor que el de un ciclo reversible operando bajo
-
los mismos l"mites de temperatura# $odos odos los los cicl ciclos os rever eversi sibl bles es,, cuan cuando do oper operan an entr entre e los los mism mismos os l"mi l"mite tes s de temp temper erat atur ura, a, pose poseen en el mism mismo o coe coeci cien ente te de performance# %Fuente: ASHRAE Handbook, Fundamentals 2013 &
El ciclo con el rendimiento m's alto posible es el ciclo de Carnot# Este ciclo se utili(a como referencia para describir la calidad de un ciclo#
Ciclo termodinámico de refrigeracin! El cicl ciclo o de Car Carnot, not, que que es comp comple leta tame ment nte e rever eversi sibl ble, e, es un perf perfec ecto to mode modelo lo de un cicl ciclo o de refri efrige gera raci ción ón que que oper opera a entr entre e dos dos temperaturas jas o entre dos uidos a diferentes temperaturas y con capacidades de calor innito Los ciclos reversibles tienen dos propiedades fundamentales, estas son: -
ing ing!n !n cicl ciclo o de refri efrige gera raci ción ón pued puede e tene tenerr un coe coeci cien ente te de performance mayor que el de un ciclo reversible operando bajo
-
los mismos l"mites de temperatura# $odos odos los los cicl ciclos os rever eversi sibl bles es,, cuan cuando do oper operan an entr entre e los los mism mismos os l"mi l"mite tes s de temp temper erat atur ura, a, pose poseen en el mism mismo o coe coeci cien ente te de performance# %Fuente: ASHRAE Handbook, Fundamentals 2013 &
El ciclo con el rendimiento m's alto posible es el ciclo de Carnot# Este ciclo se utili(a como referencia para describir la calidad de un ciclo#
La imagen imagen mostrada mostrada anteriorm anteriormente ente es la repre represent sentació ación n de un ciclo ideal en un diagrama $-s# La temperatura $ del uido de trabajo se tra(a sobre la entrop"a# La supercie cerrada de los cambios de estado del uido de trabajo corresponde al trabajo reali(ado en el ciclo# El sentido de rotación del ciclo en el diagrama $-s decide si se trata de un proceso de bomba de calor %ciclo frigor"co& o de un proceso de m'quina motri( %ciclo de vapor Los ciclos frigor"cos circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj# Los ciclos termodin'micos de refrigeración utili(an el cambio de fase de una sustancia de trabajo para intercambiar calor con procesos a presión constante# En el caso de los procesos de compresión de vapor, la sustancia de trabajo utili(ada utili(ada es un refrigerante, refrigerante, el cual es una sustancia que tiene la propiedad de cambiar de fase a baja temperatura# Los cicl ciclos os de refri efrige gera raci ción ón pued pueden en util utili( i(ar arse se para para enfr enfria iarr un ambiente como ciclo de refrigeración propiamente tal, o para calentar un recinto o uido) en este caso se denomina bomba de calor#
Refrigerante"! *ara el uso de bombas de calor como elemento para la recu recuper peraci ación ón de calor calor resid residua uall en la indust industri ria, a, el refrig efriger erant ante e es el encargado de transportar el calor desde una fuente de energ"a +acia una fuente de mayor temperatura para ser reutili(ada en alg!n punto de consumo trmico# eg!n eg!n su composic composición ión,, los refrig refrigeran erantes tes se clasica clasican n de la siguient siguiente e manera:
-
C.C/: C.C/: %Clor %Cloro ouo uoro rocar carbo bono nos&, s&, posee poseen n 0 'tomo 'tomos s de cloro, cloro, son muy muy estables en la atmosfera, contribuyen a la destrucción de la capa de o(ono# %122, 120, 1223, 1224, 1-455, 1-450& 6C.C/ 6C.C/:: %6idr %6idrocl oclor orou ouor oroc ocarb arbon onos& os&,, posee poseen n 2 'tomo 'tomo de cloro, cloro, son
-
medianamente estables en la atmosfera y presentan desde un 0 al 057 de la capacidad destructiva de la capa de o(ono en relación a los C.C# En función del aporte a los gases de efecto invernadero, estos refrigerantes inuyen en mayor medida que los C.C# %100, 1208, 1203, 1232b& 6.C/: 6.C/: %6idr %6idrouo ouoro rocarb carbono onos&, s&, no destruy destruyen en la capa capa de o(ono, o(ono, pero pero
-
algunos de ellos contribuyen a la concentración de gases de efecto invernadero# %1240a, 180, 1204, 1238a&
1efrigeran
Amonia
Di#id
%ro&an
I"o$'ta
%ro&ilen
Ag'
te
co
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a
Aire
car$on o 9
12
133
10;5
1<55a
1205
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68
C>0
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C3625
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-
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5
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-30
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255
-
.ormula
*unto de ebullición
2;0#;
B9C $emperat $ emperat
280#3
82#3
;<#
283#
;2
ura critica
88#
-
;
B9C *resión critica BDar
223#0
8#=
30#4
8<#3=
3<#2
02#
-
-
e(clas: Far"an sus propiedades en función de la composición, com!nmente utili(ados en bombas de calor por absorción# Las me(clas se pueden sub-clasicar como a(eotrópicas, para aquellas que evaporan y condensan a temperatura constante %14GG&, y me(clas del tipo (eotrópicas, para aquellas que presentan desli(amientos en el cambio de fase %13GG
-
1efrigerantes
naturales:
on
refrigerantes
que
eHisten
naturalmente en la naturale(a, los cuales ofrecen cualidades termodin'micas lo sucientemente aceptables para su uso en procesos
industriales,
adem's
de
su bajo
impacto en
la
destrucción de o(ono y en las concentraciones de gases de efecto invernadero# I continuación se presenta una tabla que resume los refrigerantes naturales com!nmente utili(ados# ?@*: J?lobal @arming *otentialK >A*: J>(one depletion potentialK El amoniaco es un eHcelente refrigerante usado com!nmente en los procesos industriales cuando las capacidades trmicas son altas# Ios atr's el uso de amoniaco no era posible al trabajar con altas temperaturas, y solo se limitaba al uso como refrigerante en procesos de enfriamiento a baja temperatura, sin embargo, los avances tecnológicos permiten la utili(ación del amoniaco en los procesos de recuperación de calor residual, en donde los niveles de temperatura son elevados, gracias a las nuevas tecnolog"as empleadas en equipos de compresión los que llegan a temperaturas de ;4 9C y presiones de 44 Bbar trabajando con amoniaco# Este tipo de compresores son del tipo tornillo# Este refrigerante posee un alto calor latente de vapori(ación o cambio de fase, que se ve reejado en la siguiente curva de saturación#
I presión constante, se observa un elevado calor latente de cambio de fase, lo que se traduce en una elevada capacidad de transporte de calor, adem's de poder ser utili(ado como sustancia de trabajo a distintos niveles de temperatura# El +ec+o de que el amoniaco presenta una elevada presión de trabajo al ser utili(ado en los procesos de recuperación de calor residual debido a la alta temperatura, se utili(ar' otro refrigerante que presente propiedades similares, como mtodo de comparación para evaluar los ciclos termodin'micos de equipos presentes en el mercado# El refrigerante seleccionado es el 1034fa, el cual se detalla a continuación con los datos proporcionados por su curva de saturación#
(om$a" de calor en rec'&eracin de energ)a! Mna bomba de calor es una maquina trmica capa( de aumentar la temperatura de un ujo residual de baja temperatura +asta cierto punto en el cual su potencial trmico sea posible utili(arlo en alg!n proceso de la misma planta# Las bombas de calor usan energ"a eHterna %electricidad& para incrementar la temperatura del calor residual de baja temperatura recuperado desde alg!n proceso# D'sicamente el sistema funciona en base al principio
de
refrigeración de Carnot# El uido utili(ado como sustancia de trabajo por
el proceso, absorbe calor en el evaporador desde la fuente de calor residual, vapori('ndose# El vapor es comprimido aumentando su presión y temperatura, el aporte energtico que se debe suministrar al compresor depende eHclusivamente de la temperatura a la cual se desea obtener en el condensador para su posterior utili(ación# Aesde aqu", circula +acia el condensador en donde eHpulsa el calor absorbido en el proceso de evaporación y compresión, en donde este se utili(a en alg!n proceso de la planta que posea una demanda trmica# Las bombas de calor com!nmente se clasican por el tipo de uido utili(ado como fuente de calor, y el tipo de uido utili(ado como medio absorbente del calor rec+a(ado en el proceso de condensación# EHisten diferentes arreglos entre los medios en donde se producen los intercambios de calor, dependiendo de la forma en que se presenta el ujo residual# Los arreglos utili(ados en los procesos de recuperación de calor residual son los siguientes: -
Iire N Iire: Igua N Iire Iire N Igua Igua N Igua En cada uno de los casos, el primer trmino se reere a la fuente
de calor residual y el segundo trmino se reere a la fuente que absorbe el calor rec+a(ado en el proceso de condensación del uido refrigerante# Los componentes de una bomba de calor son los mismos que posee un sistema de refrigeración, estos son: -
Compresor: Los compresores son m'quinas que aumentan la presión de un uido por medio de la reducción de volumen de una c'mara de compresión# Aentro de los m's utili(ados en los
procesos de recuperación de calor se encuentran los compresores reciprocantes, rotatorios y de espiral# -
Evaporador y condensador: on dispositivos que permiten el intercambio de calor entre un refrigerante y el medio# *ara el caso del evaporador, el intercambio es entre el refrigerante y el foco frio, en este caso, el ujo de calor residual# En el condensador el intercambio de calor se produce entre el refrigerante y un ujo que reciba el calor de condensación# Estas unidades generalmente est'n formadas por un arreglo de tubos por los cuales puede circular el refrigerante o el uido con el que se intercambia calor) la selección de cada tipo depende de la aplicación y tipo de uido#
-
F'lvula de eHpansión: Es usada para controlar el ujo y reducir la presión del refrigerante +acia el evaporador de la bomba de calor# El esquema b'sico de funcionamiento se muestra a continuación,
en donde la temperatura del uido residual con potencial trmico, es utili(ada para evaporar un refrigerante a una baja presión en un evaporador# El vapor refrigerante es comprimido por efecto del compresor, aumentando su presión y temperatura por medio de la absorción de energ"a mec'nica de compresión# El vapor a alta presión y temperatura circula a travs de un condensador en donde el calor es liberado para su utili(ación en alg!n proceso# Luego, el refrigerante pasa por un dispositivo de eHpansión disminuyendo su presión y temperatura para volver a ingresar al evaporador#
La eciencia de estos sistemas depende del calor eHpulsado en el condensador en función de la energ"a proporcionada al compresor# Esta relación se conoce como Jcoeciente de performanceK denominado C>*, que obedece a la siguiente formula:
COP=
Calor rechazadoen el proceso de condensacion [ kW ] Energia aportada alcompresor [ kW ]
ientras m's alto es el C>*, mayor es la eciencia de la maquina trmica, lo que impacta directamente en la reducción en los costos de
generación de energ"a si es que esta tecnolog"a es comparada con una tecnolog"a convencional# I modo de ejemplicar la reducción en los costos de generación de energ"a trmica en los procesos industriales al utili(ar el calor residual, se presenta la siguiente comparación de eciencias energticas entre una caldera de combustible fósil y bomba de calor#
COP
=
COP
=
100 unidades decalor utilizable 120 unidades deenergiacon sumida
100 unidades de calor utilizable 16,7 unidades de energiaconsumida
La mayor"a de las bombas de calor para recuperar calor residual operan con fuentes de calor a una temperatura de entre 85 y 59C# *ara reali(ar el proceso de recuperación de calor residual en la industria, se utili(an generalmente 3 tipos de bombas de calor# -
Domba de calor mec'nica de ciclo cerrado: Mtili(a la compresión mec'nica de un refrigerante# En la industria son utili(adas generalmente en procesos de secado, calefacción de recintos y en el calentamiento de l"quido yOo aire para procesos#
-
Domba de calor de compresión mec'nica de vapor de ciclo abierto: Mtili(an la re compresión de vapor de agua para aumentar su presión# on utili(adas generalmente en los procesos de
0.83
=
6
=
evaporación y destilación, com!nmente en la industria del petróleo, qu"mica y de alimentos# -
Domba de calor de termo compresión de ciclo abierto: Mtili(a la energ"a cintica de un vapor con alta presión para aumentar la presión del vapor residual por medio de dispositivos de eyección# Estos sistemas son utili(ados en la recuperación de vapor de as+eo en los procesos de secado#
-
Domba de calor de absorción de ciclo cerrado: Mtili(a un uido de trabajo compuesto por dos componentes y se basa en los principios de evaporación de un refrigerante y absorción de calor por medio de una sustancia de elevada inercia trmica# Esta tecnolog"a puede proporcionar temperaturas muc+o m's elevadas que otras bombas de calor y una f'cil integración a sistemas de generación
trmica
renovable,
adem's
pueden
ofrecer
simult'neamente refrigeración y calefacción# Msadas t"picamente en procesos de enfriamiento# Los porcentajes de distribución en el uso de cada tecnolog"a se muestran a continuación#
Las bombas de calor ofrecen eHibilidad en cuanto a la utili(ación en la recuperación de calor residual, pudiendo adaptarse f'cilmente a la fuente de calor# Las bombas de calor de alta temperatura est'n tomando fuer(a en el campo de la recuperación de calor a nivel industrial, pudiendo utili(ar ujos de calor con una temperatura entre 85 y 5 9C, en comparación con bombas de calor tradicionales que utili(an como fuente de calor ujos con temperaturas de entre 4 y 059C I continuación se muestra una gr'ca representativa de las distintas fuentes de captación de calor residual, y los procesos en los cuales se puede utili(ar el calor rec+a(ado por la m'quina en el proceso de condensación#
E*em&lo" de integracin de $om$a" de calor en la rec'&eracin de calor en la ind'"tria! Considerando la versatilidad de la utili(ación de bombas de calor en los procesos de recuperación de calor residual, se presentan 3 posibles casos de recuperación de calor en distintas industrias# -
Pndustrial del papel# En la imagen mostrada a continuación, la bomba de calor recupera
calor residual desde el aire +!medo eHpulsado de los secadores en una industria papelera para calentar el aire de entrada del secador#
Idem's, en estas plantas es posible instalar bombas de calor para la recuperación de calor residual en los procesos de refrigeración de elementos mec'nicos y enfriamiento de agua industrial de desec+o a alta temperatura, entre otros#
-
Pndustria de la madera# En la imagen se muestra la integración de un sistema de
recuperación de calor por medio de una bomba de calor, en el proceso de secado de madera#
-
Pndustria qu"mica# En la siguiente imagen, se muestra la integración de una bomba
de calor en una columna de destilación de vapor en la industria qu"mica#
-
Pndustria de alimentos# .inalmente, en la imagen mostrada a continuación se presenta un
esquema de la integración de una bomba de calor para la recuperación del calor residual en el proceso de condensado de un c+iller utili(ado para refrigeración# El calor residual ser' utili(ado en un proceso de pasteri(ación, cl'sico en la industria de alimentos %entre 4 y 2559C
ANÁLISIS DE CICLOS DE REFRIGERACIÓN Análi"i" de ciclo" de refrigeracin!
El siguiente an'lisis busca comparar distintas conguraciones de una bomba de calor para ser utili(ado como una unidad recuperadora de calor en la industria# *ara efectuar la comparación, es necesario jar ciertas condiciones que ser'n est'ndar para todos los ciclos, cuyos valores est' muy cercano a situaciones reales que se pueden presentar en la industria# I continuación se muestra una tabla que pone en maniesto los valores que se mantendr'n jos#
%arámetro
+alor
Fl'*o de calor re"id'al
55 BQ@
Tem&erat'ra del ,'*o re"id'al
85 B9C
Tem&erat'ra de entrada del ag'a 05 B9C a calentar Tem&erat'ra del conden"ador
;5 N 255 N 225 N 205 B9C
Tem&erat'ra del e-a&orador
04 B9C
Refrigerante
12 N 1034fa
*ara la evaluación, se comparar'n 3 temperaturas de condensación que representan los distintos niveles de temperatura en los cuales un uido puede mostrar un alto potencial de integración a nivel industrial, las temperaturas de condensación se muestran en la tabla anterior, con valores que van desde ;5 +asta 205 B9C con un incremento de 25 B9C# El agua se calentar' por medio del in tercambio de calor que ocurre entre el condensador y el uido que recibe este calor de condensación, que para este caso es agua# e supone que a la salida del condensador, el agua se
encontrar' a una temperatura de 25 B9C por debajo de la temperatura de condensación#
Los ciclos a evaluar, para el uso de amoniaco %12& como refrigerante, son los siguientes# -
Ciclo b'sico de una etapa# Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado# Ciclo de dos etapas con separación de vapor# Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador# Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y eHtracción de refrigerante# *ara el caso del refrigerante 1034fa, se debe efectuar una modicación
en los ciclos ya que de acuerdo a las propiedades del refrigerante, cuando se comprime isentrópicamente desde vapor saturado, el estado nal que alcan(a es de vapor saturado +!medo, es decir, queda dentro de la campana de saturación# ituación no recomendada para la operación de compresores# En virtud de lo anterior se requiere que la condición de entrada del refrigerante al compresor sea de vapor sobrecalentado y de esta forma alejarlo de la (ona de saturación a la salida# I continuación, se muestran los ciclos termodin'micos utili(ando amoniaco como refrigerante, por medio de un diagrama de presión vOs entalp"a, para una temperatura de condensación de 205 B9C# Los esquemas de conguración con los datos de an'lisis para una temperatura de condensación de 205 B9C se muestran en un aneHo adjunto al nal del cap"tulo#
Ciclo $á"ico de 'na eta&a!
E".'ema ciclo $á"ico de 'na eta&a
Ciclo de 'na eta&a con "'$enfriamiento de conden"ado!
E".'ema ciclo de 'na eta&a con "'$enfriamiento de conden"ado!
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or!
E".'ema ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ador!
E".'ema ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ador!
Ciclo de do" eta&a" con "'$enfriamiento de conden"ado / e#traccin de refrigerante!
E".'ema ciclo de do" eta&a" con "'$enfriamiento de conden"ado / e#traccin de refrigerante!
*ara cada caso, el ujo de calor de condensación para cada temperatura queda determinado por la siguiente formula
´ refrigerante∗¿ (h m
−hliquidosaturado )
vapor saturado
´ Condensacion =¿ Q
El calor de condensación es absorbido por el agua que se desea calentar, y como anteriormente se eHpresó, la temperatura de salida del agua luego del intercambio de calor en el condensador es 25 B9C menor que la temperatura de entrada al condensador, y suponiendo una temperatura de entrada del agua de 05 B9C %agua de la red&, la siguiente fórmula eHpresa el m'Himo ujo de agua que puede circular por el circuito para absorber el calor de condensación#
´ Condensacion= ´magua∗4,186∗(T salidaagua−T entradaagua ) Q
Los ciclos se optimi(aron para ofrecer el m'Himo caudal de agua para las distintas temperaturas de condensación# Los valores del ujo de refrigerante, ujo de calor de condensación y ujo de agua se muestran a continuación# Fariación del ujo de calor de condensación para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion de 1 de conden"ador 2345 205 225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
255 ;5
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
1 de conden"ador 2345
Fariación del ujo de refrigerante para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion ,'*o de refrigerante 23g7"5 Ciclo basico
Ciclo bas ico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador
Tem&erat'ra de conden"ador 2 6C5
Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
Fl'*o de refrigerante 23g7"5
Fariación del ujo de agua para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion ,'*o de ag'a 2Lt7"5 Ciclo basico 205 225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
255 ;5
Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
Fl'*o de ag'a 2Lt7"5
Los ciclos termodin'micos presentan un consumo que se asocia al proceso de compresión, el cual varia para cada ciclo, por lo que en trminos de eciencia, se debe optimi(ar la selección de un ciclo de acuerdo a la potencia
que este presenta para cada temperatura de condensación, en función de obtener un caudal ra(onable a bajo costo# Es importante considerar adem's del caudal y consumo, la temperatura a la cual el agua abandona el proceso de condensación# Como se ve en los diagramas de presión vOs entalpia, a la presión del condensador el refrigerante muestra un cierto nivel de sobrecalentamiento producido por el proceso de compresión, el cual se condensa por el agua de salida del condensador, con el n de
aumentar un par de grados m's la
temperatura del agua# I continuación, se presenta una tabla que muestra la potencia que demanda el compresor para cada ciclo, a distintas temperaturas# Fariación de la potencia del compresor para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion &otencia del com&re"or 2345 Ciclo basico
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
205
Ciclo basico con subenfriamiento de condensado
225
Ciclo de dos etapas con separador de vapor Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador
255
;5 5#5
455#5
Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
%otencia del com&re"or 345
En este punto, es posible seleccionar un ciclo a travs de distintos criterios, ya sea privilegiando la menor potencia del compresor para cada nivel de temperatura, o seleccionado un ciclo que me(cle las dos condiciones m's
importantes para una m'Hima eciencia, entre potencia y caudal m'Himo de agua que es posible calentar# El caudal de agua est' estrec+amente relacionado con el calor de condensación, el cual a su ve( se relaciona con la potencia del compresor, relación que se conoce como coeciente de performance %C>*&, el cual se detalla en la siguiente tabla# Es importante mencionar que el calor de condensación considera el calor rec+a(ado en el proceso de desobrecalentado, condensación y subenfriamiento del condensado para el caso en el que el agua sea la encargada de recibir este calor# Fariación del C>* para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion CO% Ciclo basico
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
205
Ciclo basico con subenfriamiento de condensado
225
Ciclo de dos etapas con separador de vapor Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador
255
;5 5#5 4#525#5
Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
CO%
Ae los ciclos evaluados, el que mayor eciencia ofrece para los distintos niveles de temperatura es el ciclo de dos etapas con separación de vapor, seguido del ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado, los cuales muestran valores de potencia relativamente bajos y altos caudales de agua en comparación con los dem's ciclos#
*ara seleccionar un ciclo que mejor se adapte a las condiciones que se jaron al comien(o de la evaluación, es necesario evaluar adem's del C>* y ujo de agua, la temperatura a la cual el agua abandona el proceso, la cual mientras m's alta es, a un rendimiento ra(onable, mayor versatilidad ofrece para ser integrada a un proceso industrial, desde el punto de vista del proceso y transporte, ya que mientras m's alta sea, mayor distancia puede recorrer el agua para llegar +asta el punto de consumo con la temperatura deseada, considerando las prdidas de calor en la l"nea de transporte# La temperatura a la cual el agua abandona la bomba de calor se muestra en el siguiente gr'co# Fariación de la temperatura de salida del agua para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion de la tem&erat'ra de "alida del ag'a 26C5 205
225
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
255
;5 245#5 45#5 045#5
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
Tem&erat'ra de "alida del a'ga 26C5
e observa que el ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado es el que ofrece las mayores temperaturas de salida del agua, a una eciencia ra(onable con un caudal relativamente alto, ofreciendo un alto potencial de integración a los procesos industriales#
i bien, el ciclo mencionado anteriormente ofrece un alto potencial de integración, la selección de uno u otro depender' eHclusivamente de las condiciones a las cuales se encuentre el ujo residual, adem's del criterio de selección, el cual puede privilegiar la temperatura del agua de salida por sobre las dem's condiciones, o seleccionar de acuerdo al m'Himo caudal de agua entregado yOo m"nimo consumo#
En el an'lisis anteriormente eHpuesto, se privilegiaron todas las variables ofreciendo un ciclo que me(cle un alto potencial de integración en la industria asociado a una potencia relativamente baja en comparación con los dem's ciclos, la cual impacta directamente en el consumo asociado al proceso de recuperación de calor residual# *ara el uso del refrigerante 1034fa se utili(aran los mismos ciclos anteriormente evaluados, dejando de lado el ciclo de dos etapas con separación de vapor, ya que a la presión intermedia entre los procesos de compresión, el refrigerante debe encontrarse como vapor sobrecalentado producto de la situación que se genera eHplicada anteriormente) condición que no es posible lograr con el ciclo de dos etapas con separación de vapor ya que a la presión intermedia, el refrigerante no es posible obtenerlo como vapor sobrecalentado# Los ciclos seleccionados para esta evaluación son los siguientes# -
Ciclo b'sico de una etapa# Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado# Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador# Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y eHtracción de refrigerante# Los ciclos fueron planteados bajos los mismos criterios anteriores, como
el precalentamiento del agua
antes del
intercambio de calor
en
el
condensador, con el n de maHimi(ar el caudal de agua que puede ser calentada por el proceso# Es importante mencionar que en esta etapa el
proceso de subenfriamiento est' limitado por la temperatura de entrada del agua ya que el refrigerante a la entrada del evaporador se encuentra a una temperatura por debajo de la temperatura del agua, situación distinta a la anterior en la que en todo momento el agua se encontraba por debajo de la temperatura
de
evaporación,
pudiendo
obtener
un
alto
nivel
de
subenfriamiento debido a la diferencia de temperatura# En este caso, el subenfriamiento est' limitado, primero, por el caudal m'Himo de agua obtenido en el proceso de condensación, adem's de la temperatura limite a la cual se puede subenfriar con agua a 05 B9C# I continuación, se detallan los ciclos termodin'micos, por medio de un diagrama de presión vOs entalp"a, para una temperatura de condensación de 205 B9C# Los esquemas de conguración se muestran en un aneHo adjunto al nal del cap"tulo#
Ciclo $á"ico de 'na eta&a!
Ciclo de 'na eta&a con "'$enfriamiento de conden"ado!
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ador8
Ciclo de do" eta&a" con "'$enfriamiento de conden"ado / e#traccin de refrigerante!
*ara reali(ar el an'lisis de los ciclos, se considerar' el mismo criterio anterior, en el que se busca obtener un uido con un alto potencial de integración en la industria %alto caudal y temperatura& asociado a una potencia relativamente baja en comparación con los distintos ciclos# Los gr'cos que se eHponen a continuación muestran las variaciones que
eHperimentan
los
valores asociados
a
distintas
temperaturas de
condensación para los ciclos seleccionados# Fariación del ujo de calor de condensación para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion de 1 de conden"ador 2345 Cic o l basic o
Tem&erat'ra de c onden"ador 26C5 Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador
Ciclo bas c i o con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
1 de conden"ador 2345
Fariación del ujo de refrigerante para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion ,'*o de refrigerante 23g7"5 205 225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
255 ;5
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
Fl'*o de refrigerante 23g7"5
Fariación del ujo de agua para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion ,'*o de ag'a 2Lt7"5 205 225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
255 ;5
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
5#555 4#555
Fl'*o de ag'a 2Lt7"5
Fariación de la potencia del compresor para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion &otencia del com&re"or 2345 205 225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5 255 ;5 455#5 5#5 2555#5
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
%otencia del com&re"or 345
Fariación del C>* para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion CO% Ciclo basico
205
Ciclo basico con subenfriamiento de condensado
225
Tem&erat'ra de conden"ador 26C5
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador
255
Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
;5 5#5
4#5
CO%
Fariación de la temperatura de salida del agua para cada ciclo a distintas temperaturas#
+ariacion de la tem&erat'ra de "alida del ag'a 26C5 205 225 Tem&erat'ra de conden"ador 26C5 255 ;5 255#5 5#5 055#5
Ciclo basico Ciclo basico con subenfriamiento de condensado Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador Ciclo de dos etapas con eHtraccion de refrigerante y estanque de me(cla
Tem&erat'ra de "alida del a'ga 26C5
Con los resultados anteriormente eHpuestos, el ciclo que mejores condiciones ofrece para ser integrado en la industria es el ciclo de dos etapas con separación de vapor y economi(ador, ofreciendo un ujo de agua, en algunos casos, mayor que el ciclo que utili(a amoniaco como refrigerante, sin embargo, este alto caudal involucra una elevada potencia de compresión en comparación con el ciclo que utili(a amoniaco como refrigerante, adem's de temperatura de salida del agua m's bajas# >tro punto a considerar, es el valor del ujo de refrigerante, el cual para el uso del refrigerante 1034fa es bastante elevado en comparación con los ciclos que utili(a amoniaco# Este valor se asocia al tamao de la instalación la cual debe trabajar con un mayor volumen de refrigerante, para lo cual es necesario l"neas y equipos de mayor dimensión# Como ventaja, se observa en los diagramas *-6 para cada ciclo, que las presiones de trabajo para las mismas condiciones de operación son bastante menores para el refrigerante 1034fa, lo cual se asocia a equipos de menor criticidad al trabajar con presiones m's bajas# i bien, el ciclo ofrece condiciones relativamente similares para cada tipo de refrigerante, la selección de uno u otro se puede manifestar luego de un an'lisis económico que involucre costos de inversión y futuros a+orros que se pueden generar con la integración de bombas de calor de alta temperatura para la recuperación de calor residual en la industria#
ANE9OS Ta$la" de dato" del '"o de amoniaco &ara cada ciclo! +ARIACION DE LA TEM%ERAT:RA DE SALIDA DEL AG:A 26C5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad or de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
255#4 200#< 240# 050#<
;4#< 220#3 282# 244#3
==#8 250#= 22;#4 235#=
;4#3 228#2 283#0 2<2#<
=;# 254#0 203#2 245#;
+ARIACION DE 1 DE CONDENSADOR 2345 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad or de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
;22#= ;<8#2 250<#5 2225#5
=<0#2 ==8#= ;54#8 ;0<#4
=40#8 =;# ;5#= ;8#2
=4;# ==;#8 ;05#5 ;40#2
23#5 53#5 <==#2 <<0#3
+ARIACION %OTENCIA DEL COM%RESOR 2345 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de
;< =<< ==< =><
022#= 0<8#2 80<#0 325#3
2<0#2 2=8#= 054#8 00<#<
or de -a&or
r
me0cla
240#8 2;# 05#= 08#2
24;# 2=;#8 005#5 040#2
23=#2 2<=#0 2==#5 05#8
+ARIACION CO% Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad or de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
3#8 8# 8#2 0#
4#8 3#= 3#3 3#2
4#< 3#; 3#3 3#5
4#3 3# 3#0 8#=
3#= 3#0 8# 8#0
+ARIACION FL:?O DE REFRIGERANTE 23g7"5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad or de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
5#=3; 5#;2= 2#55; 2#232
5#<3; 5#<30 5#<84 5#<85
5#23 5#3 5#=2 5#=2=
5#<40 5#<2 5#<;5 5#5;
5#<=0 5#<;5 5#<;; 5#5=
+ARIACION FL:?O DE AG:A 2Lt7"5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arad or de -a&or
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
0#54 0#030 2#=3 2#348
0#04 0#0=< 2#;8 2#<83
0#;=0 0#48; 0#2; 2#=48
0#03 0#0=2 2#;03 2#<5<
0#33; 2#;4 2#4; 2#05;
Ta$la" de dato" del '"o de R>@fa &ara cada ciclo! +ARIACION DE LA TEM%ERAT:RA DE SALIDA DEL AG:A 26C5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
;5 255 225 205
=<#0 ;<#= 25#4 22=#3
=3#< ;4#3 25<#2 22#5
=8#2 ;0#0 255#< 25=#8
+ARIACION DE 1 DE CONDENSADOR 2345 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
25=#5 22;0#5 2838#5 24;5#5
;<8#< 2534#5 224=#5 280;#5
;8;#8 ;=#3 2534#5 2205#5
<04#; <52#0 40#< 48;#4
+ARIACION %OTENCIA DEL COM%RESOR 2345 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
8=#3 3;2# <30#; =;5#8
0<8#< 834#4 34#< <0;#5
08;#8 0=#3 834#0 305#2
05;#; 003#; 08=#< 042#5
+ARIACION CO% Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
0#= 0#3 0#2 2#=
8# 8#5 0#4 0#2
8#; 8#3 8#5 0#
8#5 0# 0#3 0#2
+ARIACION FL:?O DE REFRIGERANTE 23g7"5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==<
<#=44 =#5=0 ;#;00
3#<<4 4#<; #5<8
3#<5 4#52 <#;23
8#;4 8#=5 8#<=
=><
28#505
;#2;
=#<88
8#4=
+ARIACION FL:?O DE AG:A 2Lt7"5 Tem&erat' ra conden"ad or 26C5
Ciclo $á"ico
Ciclo $á"ico con "'$enfriami ento de conden"ado
Ciclo de do" eta&a" con "e&arador de -a&or / economi0ado r
Ciclo de do" eta&a" con e#traccin de refrigerante / e"tan.'e de me0cla
;< =<< ==< =><
8#;0< 8#5< 8#<< 8#=<5
8#4<0 8#823 8#028 8#08
8#44< 8#0<= 8#5;= 8#580
0#83< 2#;45 2#<8; 2#8=0
E".'ema" de conBg'racin &ara cada ciclo en el ca"o o&eracional a 'na tem&erat'ra de =>< 26C5 Ciclo b'sico de una etapa#
Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado#
Ciclo de dos etapas con separador de vapor#
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economi(ador#
Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y eHtracción de refrigerante#