ciclos de refrigeración en cascada.

DENISSE HAYDEE CARDONA ERIVES

CARLOS ALFREDO LARREA NIETO

JORGE ALBERTO MARTÍNEZ QUEZADA

ADRIANA JACQUELINE TEJEDA PORTILLO

JESÚS SALVADOR URIBE CHAVIRA

JESÚS DANIEL VELDUCEA MÁRQUEZ

¿Qué es un sistema en cascada?

Un sistema en cascada consta de dos sistemas independientes de una etapa, donde el sistema con temperatura de evaporación más baja utiliza un intercambiador como condensador para rechazar el calor del mismo, utilizando el evaporador del sistema con temperatura de evaporación más alta. Normalmente se usan refrigerantes diferentes y su aplicación es mayormente para aplicaciones de baja o ultra baja temperatura.

Características:

Es como tener ciclos de refrigeración sencillos operando en serie.

Se utiliza cuando se requiere temperaturas relativamente bajas y un gran diferencial de temperatura. Esto a su vez implica manejar una gran diferencial de presión, que en un compresor reciprocante, afecta negativamente el rendimiento del mismo.

El calor que desprende el condensador del ciclo inferior es igual al calor que absorbe el calor del ciclo superior.

El refrigerante del ciclo inferior y superior, pueden ser distintos, ya que nunca se mezclan.

Se utilizan en aplicaciones industriales en las que se necesitan temperaturas moderadamente bajas (comprendidas en el intervalo de -25 a -75 ºC (-10 a -100 ºF)). Un ciclo en cascada es sencillamente un conjunto de ciclos de compresión de vapor en serie, tal que el condensador de un ciclo de temperatura inferior proporcione calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor.

Beneficios

Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la temperatura de descarga disminuye en comparación a un sistema de una sola etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del compresor.

Relación de compresión PR, donde P2 es la presión de descarga en psia y P1 es la presión de succión en psia.

Relación de compresión, es el resultado de la división de la presión de descarga y la presión de succión en psia.

Psia = Psig+14.7psi Psig es la presión manométrica. Psia es la presión absoluta incluyendo la

presión atmosférica.

Precauciones de operación y diseño

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estén dentro de los límites de aplicación, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue líquido por la succión. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es básicamente un sistema de MT de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parámetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60ºC por precaución de no dañar el compresor, ya que este está hecho de fierro fundido.

También se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la línea de succión y de líquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de “deshielo” para subir la presión de succión, aumentar el flujo másico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y así retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este último método se tiene que probar agregando sólo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamaño del sistema.

Por otra parte, al trabajar con temperaturas tan bajas, se requiere un aislamiento tanto de tuberías como de todas las partes que estén expuestas y que tengan una temperatura más baja que la de rocío y siendo este aislamiento suficiente en las partes donde la temperatura este debajo de 0ºC. Esto es para evitar condensación y/o congelamiento de la humedad en el ambiente.

Aplicaciones

Hay varias industrias que se benefician de este tipo de sistemas. La industria farmacéutica utiliza un proceso llamado liofilización donde utiliza temperaturas muy bajas en conjunto con bombas de vacío para congelar y luego sublimar H2O y así deshidratar el producto.

La industria aeronáutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizándola en cámaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90ºC para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biológicos.

En supermercados, grandes bodegas y centros de distribución, últimamente se pueden encontrar estos sistemas de refrigeración de última generación utilizando R744 (CO2) como refrigerante en los sistemas de baja temperatura.

Las cadenas de Supermercados más importantes han empezado a buscar alternativas para disminuir sus emisiones de CO2. Hay dos formas de disminuir estas emisiones, la primera es buscando sistemas más eficientes donde las emisiones producidas por la energía eléctrica utilizada por el sistema de refrigeración y AC disminuyen; la segunda, es buscando refrigerantes alternativos o naturales que tengan un GWP (Potencial de Calentamiento Global) menor.

En procesos industriales se utiliza para la licuefacción de gases para separarlos y poder almacenarlos

Sistema en cascada que muestra tanque de reexpansión

Por las altas presiones que tienen estos refrigerantes (R508B, R23, R744) se requieren válvulas de alivio y/o un tanque de reexpansión como medida de seguridad para evitar que la alta presión dañe la tubería o algún componente del sistema cuando se requiera mantenimiento o paros prolongados. En algunos casos se utiliza una unidad independiente para enfriar el recibidor y evitar que la presión aumente.

El diagrama muestra un sistema en cascada donde se utiliza un intercambiador entre líquido y succión para aumentar la temperatura de retorno del gas al compresor tanto en la etapa de baja (R23) como en la etapa de alta (R404A). También se pude apreciar el tanque de reexpansión. En el diagrama, el condensador del sistema con R404A puede ser enfriado por algún otro fluido o aire.

Precauciones de operación y diseño

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estén dentro de los límites de aplicación, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue líquido por la succión. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es básicamente un sistema de MT de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parámetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60ºC por precaución de no dañar el compresor, ya que este está hecho de fierro fundido.

También se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la línea de succión y de líquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de “deshielo” para subir la presión de succión, aumentar el flujo másico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y así retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este último método se tiene que probar agregando sólo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamaño del sistema.