seminario de proyectos i ii. - 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/uam5621.pdf · la realización...

m Casa abierta ai tiemDo

Universidad Autónoma Metropolitana ' c-pi2i-

/Ingeniería en Energía.

Seminario de proyectos I y I I .

Estudio y caracterización energética de los sistemas comerciales de refrigeración

industrial ' I .

/",\

/- Nombre: Martín Vargas Ángeles,

Mat r Ícu la: 9022557 7

Asesor: Dr. Juan Jóse Ambriz GarcÍa.

%ayo - Agosto I995 UCI

.- . .. . . ... ~ .. - . . .

Sistemas de refrigeración industrial 1995

, Indice.

1 2 3 3 4 5

12 15 15 18 18 19 22 25 34 34 40

42 47

I. Introducción. 11. Objetivos. Ill. Sistemas de producción de frío.

Introducción. Medios químicos . Medios físicos. Efectos Especiales.

Introducción. Principios termodinámicos. Ciclo inverso de Carnot. Diagramas de presentación de los ciclos. Ciclo teórico de compresión de vapor saturado. Modificaciones al ciclo teórico. Sistemas de compresión múltiple.

IV. Producción de frío por el sistema de compresión mecánica.

Compresión múltiple directa. Compresión múltiple indirecta o cascadas.

Dependencia de los componentes de una instalación de refrigeración.

V. Componentes de un sistema de refrigeración. Refrigerantes 47 Evaporadores. 54 Compresores. 61

64 Condensadores. 69 Control y regulación de las instalaciones frigoríficas. 76 77 78

VI. Conclusiones. VI I. Bibliografía. Vlll . Anexos

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. L z L m m

Sistemas de refrigeración industrial 1 1995

I. lnfroducc/on.

Existen procesos industriales donde la refrigeración juega un papel importante, la correcta elección del sistema puede traducirse en un ahorro económico y energético considerable. La selección de los parámetros de operación del ciclo termodinámico de la refrigeración, el estado de funcionamiento de los diferentes componentes del sistema y las modalidades de operación determinan la eficiencia térmica de la instalación y el estado final del producto. Dependiendo de la calidad de éste se ven afectadas las ganancias económicas.

La realización del presente Seminario de Proyectos tiene por finalidad: revisar las principales técnicas de producir bajas temperaturas de manera industrial, analizar el sistema por compresión mecánica mostrando las bases termodinámicas para la evaluación del sistema, presentar las perdidas de carga en los componentes del sistema, analizar las modificaciones al ciclo para obtener una eficiencia mayor, y determinar la dependencia de los componentes del sistema y las variables ambientales. Por Último se mencionan las características y propiedades de los diferentes fluidos refrigerantes que se pueden utilizar en la instalación, se revisan los tipos y modelos de los componentes del sistema (compresor, evaporador, condensador, valvula de expansión, etc .), haciendo mención de sus aplicaciones más frecuentes. Y obtener el sistema de refrigeración acorde con las necesidades del proceso, que sea económico y eficiente para combatir el problema económico y energético donde se encuentra el sector industrial.

Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos.

Sistemas de refriqeración industrial 2 1995

IL Objeiivos.

1. Investigar los principales métodos comerciales para la obtención de bajas temperaturas en la refrigeración industrial.

2. Asociar las ecuaciones y balances de cálculo necesarias para describir energéticamente los sistemas identificados en el inciso 1,

3. Investigar cuales son las rutas tecnologicas de mayor uso en México e integrar información comercial sobre los distintos sistemas y accesorios.

4. Contribuir al desarrollo de la Licenciatura de Ingeniería en Energía mediante la elaboración de material de consultas para el alumno.

..- -. . . . . . . -

Sistemas de refrigeración industrial 3 ,.-- 1 YYS

ffi. Sistemas de producción de frio.

Introducción. La refrigeración implica mantener la tempera Ira del sistema por debajo de a

temperatura ambiente, para este fin, se debe desalojar un flujo continuo de calor del sistema hacia los alrededores. En el cuadro siguiente se pueden observar las técnicas mas importantes o procedimientos de producción de frío:

Procedimientos de producción de frío. Medios químicos. Medios físicos.

Sistemas basados en cambio de estado. Fusión. Su blimación Vaporización.

a) Sin recuperación del gas producido. b) Con recuperación del gas producido.

bl) Sistemas por absorción b2) Sistemas por adsorción. b3) Sistemas de eyección de vapor. b4) Sistemas por compresión mecánica.

c) vaporización de criofluidos. Expansión de fluidos gaseosos no condensables.

Maquinas de aire frío. Efecto Joule-Thompson.

Efectos Especiales. Efecto termoeléctrico. Efecto mag netotérm ico. Efecto magnetotérmico - eléctrico. Efecto vortex..

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos.


1995

Medios quimicos. Se basan en la ley de Raoult de las disoluciones de sustancias con calor de

disolución negativo. El trabajo de disgregación molecular da lugar a un consumo de energía proporcional a las fuerzas de cohesión entre las moléculas del sólido. Una vez separadas las moléculas, hay que difundirlas entre las moléculas del disolvente lo cual consume también energía. Entonces el calor necesario para efectuar una disolución es la suma del calor de disgregación del soluto o “calor de disolución” , y el correspondiente al transporte de las moléculas del soluto en el disolvente o “calor de dilución”.

Aúnque hay algunas veces reacciones exotérmicas, si se eligen adecuadamente las sustancias pueden conseguirse descensos importantes de temperatura que son aprovechados para el enfriamiento de pequeñas cantidades de producto. En la siguiente tabla se muestran algunas mezclas y las temperaturas que se pueden alcanzar con estas soluciones eutéticas’ :

Tabla de soluciones euteticas y la temperatura que se obtiene



Métodos basados en medos hkicos. A los procedimientos físicos se les puede subdividir en tres grandes grupos:

Sistemas basados en cambio de estado. Fusión. Se basa en la propiedad que tienen los cuerpos de absorber calor para pasar

del estado sólido a liquido. Para lograr la refrigeración por este método se eligen sustancias o mezclas de sustancias que posean una baja temperatura de fusión o bien las denominadas soluciones eutéticas I

Se prepara una solución cuya composición coincida con su punto eutético y se le congela, obteniendose el denominado hielo eutético o criohiandratico, su temperatura se mantiene constante hasta su fundición total.

En la tabla siguiente se muestran algunas soluciones eutéticas normalmente utilizadas en los sistemas de producción de frío por fusión':

Tabla de hielo eutético con diversas sales.

Subhnación. Se basa en el hecho que un sólido pasa directamente al estado de vapor sin

pasar por el estado líquido. Este fenómeno, denominado sublimación, realiza una gran absorción de calor para pasar directamente del estado sólido al estado de vapor. El calor absorbido es equivalente al calor latente de fusión más el calor latente de vaporización a la temperatura en que se realiza la sublimación.

Vagas Angeles Martín. Seminario de proyectos. -u- 0

;. . .. ,_~ . _ _ - _ . . ... . . . ,. , . . , , . . - . _.. . ... . . , . . - -

Sistemas de refriaeración industrial 6 "

1995

La sublimación ocurre espontáneamente en las condiciones ambientales en ciertos productos; uno de ellos es el dióxido de carbono sólido. A presión atmosférica se sublima y produce temperaturas de -78.5OC y el calor de sublimación es de 139,O Kcal/kg.

Vaporlzación. Bajo este cambio de estado se encuentran todos aquellos métodos basados

en el cambio de estado de líquido a vapor, al suminístrarles energía en forma de calor. Se pueden distinguir tres casos:

a) Sin recuperación del qas producido. En este procedimiento un líquido con punto de ebullición muy bajo a presión atmosférica, se vaporiza, y se aprovecha el calor latente de vaporización y posteriormente se desecha a la atmósfera. Por Io tanto, debe de tratarse de gases inocuos.

b) Con recuperación del Cias producido. En este caso el gas producido es recuperado para ser reutilizado, después de sufrir una serie de procesos adecuados. Normalmente para esos procesos se requiere una aportación de energía externa al sistema. Se pueden distinguir los siguientes procedimientos:

bl) Sistemas por absorción. En este sistema el gas se recupera por medio de un absorbente líquido. En la refrigeración comercial por compresión mecánica el trabajo de compresión se realiza generalmente por un motor eléctrico, cuya fuente de energía es una planta de potencia térmica. Así, el trabajo para la refrigeración proviene del calor a un nivel superior de temperatura. La base en este razonamiento que sugiere el uso directo del calor como fuente de energía para la refrigeración.

Como se muestra en la figura 2.1, la parte derecha del sistema es igual a un sistema de refrigeración por compresión mecánica; se tiene un condensador, donde el vapor cambia a líquido, una válvula de estrangulación que cambia la presión del tiquicio (de alta a baja) y un evaporador que absorbe el calor para efectuar el efecto refrigerante. La parte izquierda es donde se realiza el trabajo de compresión (pasa de una presión baja a una presión alta).

Del evaporador pasa al absorbedor donde se encuentra el líquido absorbente que tiene una gran avidez por el vapor refrigerante, así queda en solución con el

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. a--- m

~ . , . . - .-. - - . . , ., . . . . ,.... . . - ..____ -___ - - -_-.


absorbente formando la "solución fuerte". El flujo del evaporador hacia el absorbedor se realiza porque la presión de vapor de la solución fuerte es menor a la del vapor en el evaporador.

1995

I I I I I I I I Calor agregado a Tc I I 4 I - I

Condensador - I I I I I

Generador rr' I I I I

I 1 I

I U

Evapomior

I

I ,bsorbido para t

14 I

I I ' la refrigeracion a Tf I lmba

J' I I I

alrededor& a Ta. Figura 2.1 Diagrama esquemático de una unidad de refrigeración por absorción

Conforme el refrigerante se disuelve en el líquido absorbente, el volumen del refrigerante disminuye (ocurre la compresión) y el calor de la absorción se libera; este calor es igual a la suma del calor latente de condensación y el calor de disolución del absorbente.

La solución fuerte pasa por una bomba que eleva la presión de la solución hasta igualarla con la presión del generador, entonces la solución hierve al recibir un aporte de calor, el refrigerante se separa y esta listo para realizar el efecto refrigerante de nuevo. Mientras que la solución que quedó en el refrigerador o "solución débil" es reciclada al absorbedor, pasando por una válvula de estrangulación para igualar presiones. Con el fin de mejorar el rendimiento térmico de la instalación la solución fuerte y la débil circulan a contracorriente a través de un intercambiador de calor.

Como mezclas de trabajo se suele utilizar agua-amoniaco o bromuro de litio- agua, la primera para temperaturas de evaporación inferiores a O°C y la segunda para temperaturas superiores de OOC.

Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -- rn .. - . . - r._ .-.I <; - , . . . . .


b2) Sistemas por adsorción. La adsorción es la propiedad de ciertas sustancias de retener en su cuerpo poroso gases y vapores que los rodean. En la figura 2.2 se muestra un esquema de tal instalación.

- 1995

La instalación funciona en forma intermitente en ciclos alternativos de calentamiento - enfriamiento:

Ventilador

Evaporador

T T Fuente de calor

4 Figura 2.2. Diagrama esquemático de una unidad de retrigeraci6n por adsorción

Para entender el funcionamiento utilizaremos el ejemplo de SO2 como gas de adsorción y el gel de sílice como medio adsorbente.

Ciclo de calentamiento: En el absorbedor existe un gel de sílice saturado de SO,, al recibir un aporte de calor de una resistencia u otra fuente, el gel de sílice se calienta y desprende los gases de SO, hacia el condensador. Una válvula de una sola vía (8) evita que los vapores lleguen al evaporador. En el condensador se enfrían mediante una corriente de agua y se envían a un depósito. Esta operación sigue hasta eliminar completamente al SO2 del gel de sílice.

Ciclo de enfriamiento: Una vez limpio el gel de sílice, se deja de calentar y se acciona un ventilador que lo enfría, hasta la temperatura ambiente. El gel de sílice comienza a adsorber vapores de SO2 procedentes del evaporador, se crea una baja presión en el evaporador , con lo que el SO2 contenido en el evaporador comienza a hervir. La cantidad de líquido que se evapora es repuesto mediante

Vagas Angeles Martin. Seminario de proyectos. --AL 0

. . .. . ., . .. .


una válvula en el depósito del líquido. Este proceso continua hasta la saturación de el gel de sílice y cesa el efecto frigorífico, y comienza el ciclo de calentamiento.

b3) Sistemas por eyección de vapor. Se introduce vapor de agua a gran velocidad por una tubería J que creara en A una depresión. La presión A será aproximadamente igual a 1/10 de la presión en B, (figura 2.3.). Bajo este principio es posible realizar el efecto refrigerante de diversas maneras, pero con un gran costo de vapor de agua.

I B figura 2.3. Diagrama esquemático

de una bomba de vacío por eyección de vapor

b4) Sistemas por compresión mecánica. Este sistema es el más popular y será objeto de un análisis mas profundo y detallado a lo largo de este trabajo.

C) Vaporización de criofluidos. Mediante compresión y enfriamiento se ha llegado a licuar el aire y otros gases que se consideraron no licuables. Con estos se llegan a conseguir temperaturas de hasta 0.4 O K no utilizables comercialmente pero importantes para la investigación.

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. --=wm.. 4m

. .. . r _ . . . . . . . . ' .

10 Sistemas de refrigeración industrial 1995

Expansión de fluidos no condensables. Se expande en forma adiabática un gas que ha sido comprimido y enfriado, se

produce un trabajo a costa de desprender energía propia, lo que provoca su enfriamiento :

A Agua caliente

Su temperatura final será:

Agua fria

Hay 2 tipos de máquinas basadas en este principio, a nivel experimental han sido numerosos los prototipos:

c

Maqutnas de alíe Ho. El diseño de estas máquinas es similar al de compresión mecánica. Cuenta

con un compresor para comprimir aire, un enfriador o refrigerador y un evaporador, como se muestra en la figura 2.4.

Condensador

Evaporador 1

El refrigerante usado es aire, por lo cual es necesario circular grandes cantidades y la utilización de maquinaria enorme.

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. m ” M . 9 - h 0


Efecto Joule - Thompson. Supóngase que un gas a condiciones P,, V,, T,, se deja expandir a través de

una pared porosa hasta las condiciones P2, V2, T2, como se muestra en la figura 2.5.

I - Pared porosa.

Figura 2.5. Diagrama representativo del efecto Joule - Thompson.

Se cumple que : I y , - P y . . + C v ( T , - ~ ) = O

Entonces se tienen tres casos:

a) 4~ = $Y2 a T2 = I; el efecto es nulo.

b) 4y > p2yZ q > I; se produce enfriamiento.

c) 4~ < p25 a T2 < I; se produce calentamiento.

Vagas Ángsles Mariín. Seminario de proyectos. --L 0

.. __ . , , ~ - - . - _ ,_ - . . . - - . - .- .. . - -


Sistemas basados en efectos especiales. Se engloban bajo este apartado una serie de métodos de diferentes principios

y poca importancia comercial.

Efecto termoeléctrico o Peltier. AI hacer pasar una corriente eléctrica a traves de una soldadura de dos metales

distintos, ésta se enfría o se calienta según el sentido de la corriente.

Actualmente ya no se emplean soldaduras sino conductores de tipo P y tipo N, como se muestra en la figura 2.6.

I calor absorbido I

I

Cuando la corriente circula como se muestra en la figura, se enfrían las soldaduras de la parte superior y se calientan las de la parte inferior; si se invierte la corriente sucede lo contrario.

Efecto magnetotérmico ( Hass - Debye - Guiauque). Se produce frío mediante la desimantación de una sal paramagnética, con este

procedimiento se han conseguido temperaturas de 0.003°K.

El procedimiento es el siguiente: se sitúa una sal paramagnética entre los polos de un electroimán, rodeada de un fluido que asegure el contacto térmico y de helio liquido, Figura 2.7.

Vargas Angeles Martin. Seminario de proyectos

UiUII % -- . .


L

\ Hobo Uqudo

I Figura 2.7 diagrama esquemático de un refrigerador de efecto magnetotérmico

A continuación se elimina el fluido térmico mediante bombeo y se hace vacío en el lugar que ocupaba. AI retirar el electroimán, la sal paramagnética se desimanta bruscamente y su temperatura desciende.

Efecto magnetotérmico - eléctrico. Se tiene una corriente eléctrica continua (i) a través de un conductor. El campo

magnético es perpendicular a la corriente, como se muestra en la figura 2.8. En el conductor se produce un gradiente de temperaturas en dirección perpendicular al campo, de modo que una de las caras se enfría y la otra se calienta; una absorbe calor y la otra lo desprende.

I Q

I I - I

I Figura 2.8. Efecto magnetotérmico - eíéctrico.

Efecto vortex. AI introducir aire en el interior de un cilindro en forma tangencia1 y a velocidad

sónica, se crea un movimiento circular ciclónico, figura 2.9. Este movimiento

Varcas hgeles Martín. Seminario de orovectos. I ,


1995

origina una depresión cercana al eje y como consecuencia, una expansión del aire en esta zona, con el enfriamiento del aire. En la periferia se produce una sobrepresión de aire y un calentamiento de este.

Para lograr el efecto refrigerante se extrae el aire de la zona central y se conduce al recinto a refrigerar. El rendimiento es extremadamente bajo.

ire

Tubodefliijotarigaicial

Figura 2.9 Diagrama representativo del efecto vortex.

Vargas Anc;eles Martin. Seminario de proyectos.


IV. Producción de frío con el sistema de compresión mecánica.

Introducción. Supóngase un sistema aislado térmicamente en el cual se coloca un

evaporador E. Fuera del sistema se tiene una botella de refrigerante líquido unida al evaporador mediante una valvula de regulación, ésta permite introducir una mayor o menor cantidad de líquido al evaporador y, en consecuencia, se regula la cantidad de calor que se extrae de A. El calor del sistema A hará hervir el refrigerante y éste saldrá por el otro extremo del condensador perdiéndose en la atmósfera (figura 3.1) I

Vapor refrigerant

Figura 3.1 Sistema de descarga a la atmósfera el vapor refrigerante.

Esta máquina, al funcionar de esta manera tiene un gran inconveniente, consume una gran cantidad de refrigerante, ya que éste se pierde en la atmósfera. Una manera de evitarlo es con una bomba aspirante - impelente (compresor) y así el condensador trabaja a una presión menor a la atmosférica, disminuyendo el punto de ebullición del refrigerante (figura 3.2). El compresor trabaja con vapor seco y se conecta a la botella del refrigerante. Pero poco tiempo después el líquido contenido en la botella se habrá evaporado y el efecto refrigerante será nulo.

Vagas Ángeles Marth. Seminario de proyectos. -L &iir


b t c k con liquido refrigeran te.

figura 3.2. Sistema con recuperación del vapor refrigerante.

Es necesario introducir al circuito un sistema que nos permita tener en la botella líquido refrigerante, para así seguir realizando el efecto refrigerante. Este papel Io desempeña el condensador C, al cual lo representaremos como una enfriar la botella con una camisa de agua fría, (figura 3.3).

forma de

I LocKictl~d~l, L refrigerante. Figura 3.3. Sistema de recuperaci6n de refrigerante y condensación.

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. AI-- rn

- .. . - . . .. . . . - . - .. . - -


Función principal desarrollada.

Absorber calor del medio a refrigerar.

-

La instalación frigorífica se compone de dos partes. La parte de alta presión (A.P.) que es desde la váivula de compresión hasta la válvula de regulación V, y la parte de baja presión (B.P.), que comprende la valvula de regulación a la valvula de aspiración.

Com presor I

Resumen de la función desarrollada por las distintas partes de una instalación friaorífica.

vapor seco. compresión del gas.

Parte Fenómeno que se I desarrolla. Evaporad or

~

Ebullición. Transformación del vapor saturado húmedo en

Condensador.

Valvula de regulación.

Condensación o licuefacción. Enfriar el vapor obtenido de la compresión. Laminación o pu Ive r izac ión .

I

Recuperar el refrigerante. Llevar al gas, por compresión, a un estado al que se le pueda retirar el calor agregado. Llevar al gas al estado líquido retirándole calor por medio de un fluido frío Dejar pasar exactamente la cantidad de líquido correspondiente al volumen de vapor que es capaz de aspirar el com presor.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. a-.M22- m

. . . . ._ . .- ., . , ;->-----


P/Níqpios termodinámicos.

Ciclo inverso de Carnot. El ciclo de refrigeración es básicamente el ciclo inverso de una máquina

térmica, el calor absorbido a baja temperatura debe ser rechazado a los alrededores a mayor temperatura, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica esto resulta imposible, a menos que se emplee energía externa al sistema. El refrigerador ideal opera bajo el ciclo de Carnot, que se compone de dos procesos isotermicos y dos procesos adiabáticos, como se muestra en la figura 3.4.

La primera ley se escribe para este sistema como:

Donde: q, = Calor rechazado a la temperatura superior Ts. qi = Calor absorbido a la temperatura inferior Ti.

El calor absorbido a baja temperatura entre el trabajo realizado al sistema se le denomina eficiencia del efecto frigorífico o COP (del inglés, Coefficient of performance) y se define como: - Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos.

- - = m

Sistemas de refriaeración industrial 19 1995

Como las temperaturas están relacionadas con el calor y por ser un ciclo ideal entonces el COP se puede reescribir como:

T COP = - T - T s i

Este valor representa el máximo posible para una máquina frigorífica que trabaja entre Ts y Ti.

Diagramas de representación de los ciclos. Para poder comprender y evaluar correctamente y de una manera sencilla los

diferentes ciclos de refrigeración se hace indispensable el uso de gráficas y diagramas, sobre los cuales se pueda representar el ciclo completo y además permita observar todas las consideraciones debidas al cambio de las condiciones del refrigerante durante el ciclo y el efecto neto de los cambios realizado al ciclo. Los diagramas más importantes utilizados son:

Dlágrama temperafura - entro& En este diagrama se ubica a la entropía en el eje de las X y, en el eje de las Y, a

la temperatura. Así los procesos a entropía constante o isentrópicos se efectúan sobre una línea vertical de valor "s", los procesos a temperatura constante o isotérmicos se efectúan sobre una línea horizontal de valor "T".

Dentro de este eje coordenado se encuentra una campana, cuyo punto más alto corresponde al punto crítico, la línea de la izquierda del punto crítico es la línea de líquido saturado, la línea a la derecha del punto crítico es la línea de vapor saturado.

Se encuentran 3 regiones importantes: la región de líquido subenfriado o comprimido que se encuentra a la izquierda de la campana de saturación; la región de vapor húmedo que se encuentra dentro de la campana, que es dividida por líneas a calidad constante "x". La tercera región es la de vapor sobrecalentado que se encuentra a la derecha de la campana de saturación.

Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -L m


En este diagrama también se pueden encontrar líneas que representan las isobaras, las isocoras y las isoentalpicas. Ver figura 3.5.

Entropía s I

Figura 3.5. Diagrama temperatura entropía.

Diagrama presión - entalpía. ‘En este diagrama se ubica a la entalpía en el eje de las X y, en el eje de las Y, a

la presión. Así, los procesos a entalpía constante o isentrópicos se efectúan sobre una línea vertical de valor “s”, los procesos a presión constante o isotermicos se efectúan sobre una línea horizontal de valor “T.

Dentro de este eje coordenado se encuentra una campana, cuyo punto mas alto corresponde al punto crítico, la línea de la izquierda del punto crítico es la línea de líquido saturado, la línea a la derecha del punto critico es la línea de vapor saturado,

Se encuentran 3 regiones importantes: la región de líquido subenfriado o comprimido que se encuentra a la izquierda de la campana de saturación; la región de vapor húmedo que se encuentra dentro de la campana, que es dividida por líneas a calidad constante “x”; la tercera región es la de vapor sobrecalentado que se encuentra a la derecha de la campana de saturación.

Vargas Ángeles Martin. --- &@ Seminario de proyectos


En este diagrama también se pueden encontrar líneas que representan las isotermas, las isocoras y las isoentrópicas (figura 3.6),

Entalpía h I

Seminario de proyectos. Vagas Ángeles Martín.

.


Cicio teórico de compresión mecánica de vapor saturado.

Dado que se trata del ciclo ideal se supondrá que:

I. Se aspiran en el compresor vapores en el estado de vapor saturado.

II. Se realiza una compresión adiabática pura.

Ill. El líquido no se subenfría en el condensador ni en el depósito de líquido.

IV. No existen pérdidas de carga en la instalación.

V. No hay intercambio de calor mas que en el evaporador y el condensador.

Las condiciones de trabajo están dadas por:

P,,T, = Presión y temperatura de vaporización.

P,,Tc = Presión y temperatura de condensación.

Se trazan los puntos en un diagrama presión - entalpía o entálpico, como se muestra en la figura 3.7, quedando:

Pc -

Pc .

-

I Figura 3.7. Diagrama del ciclo ideal de vapor saturado.

Vargas Ángeles Mariín Seminario de proyectos o . . . . u E L rn

- .-.. -- - -- - _ _ _ ~


Punto 1. Aspiración del compresor: P = Pe. x= 1.

Punto 2. Compresión adiabatica. s = s, P = P,.

Punto 3. Enfriamiento y condensación del fluido. P = P,. x = o.

Punto 4. Expansión isoentálpica. P = Pea h = hg.

Se analizarán los procesos en estas condiciones y para estos puntos del ciclo de refrigeración:

ExDansión de 3 - 4. El líquido saturado a temperatura T3 y presión P, llega a la válvula de expansión

por laminado a través de un orificio. Esta transformación es isoentálpica y por Io tanto:

La calidad del vapor varia de X=O a X=&.

Evaporación de 4 - 1. El refrigerante al llegar al evaporador es una mezcla de líquido - vapor de

calidad &, presión Pe y temperatura Te, debido al calor del sistema a enfriar el líquido se vaporiza y aumenta la calidad del vapor hasta X=l I Utiliza el calor latente de vaporización del refrigerante.

La cantidad de calor absorbida del medio es:

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. -u*=-- m

. :. ,.., I . . .. .... . _ . . . .. ~ . - -

Sistemas de refrigeración industrid 24 1995

Compresión de 1 - 2. El refrigerante en forma de vapor saturado recibe un aporte de energía externa

de compresión. El fluido aumenta su presión de P, hasta P, de forma isoentró pica.

La energía absorbida es de:

Condensación de 2 - 3. El refrigerante que sale del compresor se enfría a presión constante y se

condensa hasta líquido saturado, para comenzar nuevamente el ciclo de refrigeración. La cantidad de calor que hay que ceder al medio condensante es:

El COP estará definido por:

Vargas Ángeles Martin Seminario de proyectos


Moátficaciones a/ ciclo teórl‘co.

La eficiencia del ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapor saturado es sensible a los cambios en las condiciones de operación, tales como:

a) Modificación a la presión de evaporación o temperatura de succión. Para observar las variaciones de comportamiento se sobrepondrán tres ciclos

de refrigeración como se muestra en la figura 3.8.

, : I . < I , I

hl’’hl h i ’ h2’ h2 h2” h3, h?, h3”, h4, h4’, h4”.

I

Entalpía h Figura 3.8. Efecto del cambio en la presión de evaporacibn.

Estos ciclos están definidos por:

Ciclo 1. Presión de condensación =P,. Presión de evaporación = P,. Formado por los puntos: 1, 2, 3, 4.

Ciclo 2. Presión de condensación = P,. Presión de evaporación = Pel.> P, Formado por los puntos: 1 I , Z’, 3’, 4’.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de Drovectos.


Ciclo 3. Presión de condensación = P,. Presión de evaporación = Per,.< P, .

Formado por los puntos: 1 ’ I , Z”, 3”‘ 4”.

De la observación del diagrama se deduce que a medida que disminuye la presión de evaporación o temperatura de succión:

1 O.Disminuye el efecto refrigerante.

2O.Aumenta la potencia mecánica del compresor.

3O.Aurnenta la temperatura de descarga del compresor.

4O.Aumenta la calidad de vapor en el refrigerante y con ello hay una merma en el efecto refrigerante.

b) Modificación a la presión de condensación o temperatura condensante. Para observar las variaciones de comportamiento se Sobrepondrán tres ciclos

de refrigeración como se muestra en la figura 3.9.

h4’ h4”

Figura 3.9. Efecto de el cambio de presión de condensación en el ciclo.


Ciclo 1.

Vargas Ángeles Martin Seminario de proyectos -u- @a

- 7,z*x-,-- - ,-._ _-_ -- - \- - - .~ . __ - _ _ _ _ _ _.---


Presión de condensación = P,. Presión de evaporación = Pe. Formado por los puntos: 1, 2,3, 4.

Ciclo 2. Presión de condensación = P,,. > P, Presión de evaporación = P,. Formado por los puntos: 1 ’, 2’, 3’, 4‘.

Ciclo 3. Presión de condensación = P,,,. < P, Presión de evaporación = Pe. Formado por los puntos: 1 ’ I , 2”’ 3”, 4”.

De la observación del diagrama se deduce que a medida que aumenta la presión o temperatura de condensación:

1 O.Disminuye el efecto refrigerante.

2O.Aumenta la potencia mecánica del compresor.

3O.Aumenta la temperatura de descarga del compresor.

4O.Aumenta la calidad de vapor en el refrigerante y con ello hay una merma en el efecto refrigerante.

c) Sobrecalentamiento de los gases de aspiración. En algunos casos, los vapores refrigerantes no llegan al compresor en forma

saturada (a la temperatura de evaporación), si no una vez convertido todo el líquido a vapor, éste sigue absorbiendo calor sensible, en las tuberías o en el . mismo evaporador si está subalimentado. En la figura 3.10 se muestra un ciclo ideal al que se le ha superpuesto un ciclo con recalentamiento de vapor.


Ciclo 1. Presión de condensación = P,. Presión de evaporación = P,. Formado por los puntos: 1, 2,3, 4.

Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -”u- LIZB


Ciclo 2. Presión de condensación = P, Presión de evaporación = P,. Formado por los puntos: 1 ’, 2’, 3’, 4’.

3 . - i ; I O

h4h4’. hi j h2 h2’ Entalpía h hS;h3’ hl’

Figura 3.1 O. Recalentamiento de vapores aspirados.

Del análisis del diagrama se observa que con el recalentamiento:

1 O . S i el recalentamiento no es usado en el efecto refrigerante, el flujo másico del

refrigerante no varía.

2 O S i el recalentamiento se aprovecha en el efecto refrigerante, el flujo másico

del refrigeran te disminuye.

3O.EI COP disminuye.

4O.La potencia del compresor aumenta.

Aunque se desea cierta cantidad de sobrecalentamiento para evitar daños al compresor por la entrada de líquido refrigerante, este no debe ser excesivo porque entraña el peligro de la descomposición del refrigerante por las altas temperaturas de descarga del compresor.

. -.-,, .. . - . -- - _ . . - ._ I . . f . .


d) Subenfriamiento del líquido refrigerante. AI pasar el refrigerante por el condensador puede darse el caso de que salga

en forma de líquido subenfriado; con ello se incrementa el efecto refrigerante. En la figura 3.1 1 se muestra un ciclo ideal al que se le ha superpuesto un ciclo con su benfriamien to de líquido.

I , I I , , * I t I I h4$3 h i , k 7 h 2 , h Entalpía h

h4’,h3’ Figura 3.1 1. Subenfriamiento del líquido refrigerante.

Del diagrama se puede discernir que:

1 O . E l efecto refrigerante aumenta.

2O.La calidad de vapor disminuye.

3°.Disminuye el flujo de refrigerante para obtener un efecto dado.

4°.Disminuye la potencia total del compresor.

La ganancia en el efecto refrigerante puede llegar a ser lo suficientemente

se trabaja a temperaturas muy bajas. atractiva para pensar en la adquisición de un subenfriador, sobre todo cuando

Un método que puede favorecer al sistema es la instalación de un intercambiador de calor a contracorriente entre el líquido y vapor como se muestra en la figura 3.12a y figura 3.12.Del diagrama se puede deducir que:

Vargas Ángeles Mark Seminario de proyectos.

IuIi R


1 O . E l efecto refrigerante aumenta.

2O.Aumenta la energía suministrada al sistema por el compresor.

3°.Disminuye un poco el COP.

I I 4 I ,

> h i h i ’ hZ h i 7

j h4,h3 h4’,hs7 Entalpía h

Figura 3.12.Sistema con sobrecalentamiento y subenfriamiento (diagrama).

co Ca

_i alimentación

Figura 3.12a. Sistema con sobrecalentamiento y subenfriamiento.

Vargas Angeles Martin Seminario de proyectos. -- &Y

-~ - - _ - I _--- * - _ -


e) Perdidas de carga en el evaporador y condensador. Todos los fluidos, al ser transportados por una tubería y otros equipos,

experimentan caídas de presión ocasionadas por la fricción contra las paredes del equipo y en el mismo fluido. De igual manera, para que un refrigerante avance a lo largo de un evaporador y condensador debe existir una cierta diferencia de presión en la entrada y salida.

En la figura 3.13 se han representado las perdidas que se producen en diferentes partes del sistema y sé ha sobrepuesto un ciclo ideal para comparar,

I hí‘hí’ h2 h2’ h4$3 h4’$3’ Entalpía h

I Figura 3.13. Ciclo con pérdidas de carga en evaporación y descarga.

En condiciones reales se tendrá, a la salida del evaporador, una presión P,‘ inferior a la presión de entrada P,.

El punto 1 ’ representa las características del vapor aspirado por el compresor. La diferencia entre P, - P,’ representa la perdida de carga del evaporador y la línea de aspiración.

En el diagrama la perdida de carga se representa mediante la línea 1 -1 ’, como si fuese una transformación adiabática, cuando en realidad la transformación viene dada por la línea que une los puntos 4 -1 ’.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos


En la descarga del compresor debe existir una diferencia de presiones entre la salida del compresor y la válvula de expansión para que el refrigerante circule a traves del condensador y llegue a la válvula de expansión.

A nivel de diagrama se representa por una línea que conecta a 2' y 2 de tipo isoentálpico, se considera que el calor es rechazado en el condensador, pero en realidad el proceso ocurre a traves de la línea que une a los puntos 2' y 3.

9 Representación de un ciclo real. Se muestra en la figura 3.14 un ciclo de compresión mecánica de vapor

saturado al cual se le sobrepone un ciclo real.

I h8'$9'

i'

;'

hl: [ i4s h7' h5' $6' Entalpía h

h2', h3

Figura 3.14. Representación de un ciclo real.

El ciclo real está formado por las siguientes Iíneas de proceso.

Línea 1 ' - 2'. Recalentamiento en las tuberías de succión del compresor.

Linea 2' - 3'. Pérdida de carga en la válvula de aspiración.

Línea 3' - 4'. Recalentamiento del vapor al entrar al cilindro.

Línea 4' - 5'. Compresión real (no isentrópica).

Línea 5' - 6'. Pérdida de carga en la válvula de descarga.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -L !m


Línea 6' - 7'. Enfriamiento en la tubería entre el compresor y el condensador.

Línea 7' - 8'. I Enfriamiento del vapor, condensación y subenfriamiento.

Línea 8' - 9'. Laminación en la válvula de expansión.

Línea 9' -1 '. Evaporación del líquido por la absorción de calor en el evaporador.

Vagas Ángeles Mariín. Seminario de proyectos.


Sktemas de compresión múit@ie. En ocasiones la diferencia de temperatura entre el condensador y evaporador

es superior a 3OOC. El compresor, en este caso, trabaja con una temperatura de descarga muy alta, que puede afectar al fluido refrigerante o al aceite de lubricación, disminuye el rendimiento volumétrico, y origina un decremento en la capacidad frigorífica, debido a que una menor cantidad de refrigerante se encuentra circulando, trae como consecuencia un aumento en la potencia del compresor para mantener la misma carga en el evaporador. Por estas razones y como solución a estos problemas, el proceso de compresión se puede realizar con la utilización de sistemas de compresión en varias etapas:

Compresión múltiple directa. Se caracteriza por la utilización de un solo refrigerante que se comprime dos o

más veces. Se utiliza un enfriador entre etapas de compresión para reducir la temperatura de descarga, eliminar la pérdida de eficiencia volumétrica y reducir la potencia del compresor.

Enfiamiento entre etapas. En este sistema se coloca un intercambiador de calor entre las etapas de

compresión, se obtiene una disminución en la temperatura de descarga, se evitan pérdidas en la eficiencia volumétrica y se reduce la potencia del motor de compresión. Los métodos utilizados para conseguir el enfriamiento entre etapas son:

Enfriamiento Dor un aciente externo. Utiliza aire o agua a contracorriente con el refrigerante en el intercambiador de

calor (figura 3.15 y 3.15a). Se logra bajar la temperatura hasta la línea de condensación del refrigerante, el area de intercambio debe de ser grande, por lo que implica un alto costo y un gran volumen del intercambiador.

El coeficiente de desempeño (COP) esta dado por:

El calor cedido en el intercambiador:

Vagas hgeies Martin Seminario de proyectos.


y la masa del refrigerante es: Q, m =

(h, ‘-h6 ‘)

F

!

0 * ’ h 2

Entalpía h h3’

ra 3.15 Sistema de refrigeración con enfriamiento entre etapas con un agente externo (diagra

c Válvula de alimentación L

Condens nte Condensante frío Caliente r I

-w Compresor 6’

~ ~~~ ~~~~~~ ~~

Figura 3.15a. Sistema de refrigeración con enfriamiento enire etapas con un agente externo.

la),

Enfriamiento por inyección de líquido refriaerante. A la salida del compresor de baja presión se inyecta una cierta cantidad de

líquido refngerante proveniente de la válvula de expansión (figura 3.16 y 3.16a); se

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. m.d*y- m


obtienen los mismos beneficios del procedimiento anterior, con la conveniencia de que no hay gasto en intercambiadores voluminosos y caros.

El COP esta definido por: ( h, '-hs I)( h, l-h,I)

(ht'-h, ')(h,l-h,l) +(h,'-h3')(h7'-h3') +(h,~-hz~)(h,~-h,~) COP =

La masa en el ciclo de alta presión (que pasa por el condensador) es:

. h. ( h3 '-hz ') m, =

( h 7 3 '-h I)

La masa que fluye en el ciclo de baja presión (pasa por el evaporador) es: . . Q.

r 2

h3(h4, hS', h6',

h7'

h1,hi': I h4' h2 : I I hZ' Entalpía h

hd' ~ ~~

Figura 3.16 Sistema de refrigeración con enfriamiento entre etapas con un líquido refrigerante (diagrama)

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. uuiiir e#-


Condens nte Condensante frío Caliente B I

v Compresor

1

Figura 3.16a. Sistema de refrigeración con enfriamiento entre etapas con un líquido refrigerante.

Expansión rnÚlt@e o doble compresión con hyección de rehgerante. El sistema opera en tres condiciones: a la alta presión que se tiene en el

condensador, a la media presión que se tiene en el deposito de líquido y a la baja presión en el evaporador. A este sistema se le puede inyectar vapor (figura 3.17 y 3.17a), o líquido refrigerante (figura3.18 y 3.18a).

Para el sistema de doble compresión con inyección de vapor refrigerante:

El coeficiente de desempeño (COP) esta definido por: ( h 1 8 3 6 '-h ' ) (h '-h I)

COP =


. A8 ( h2 I-h, ') m, =

( h3 '-h6 '1 La masa que fluye en el ciclo de baja presión (pasa por el evaporador) es:

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos.


1995

I ~~

Figura 3.17 Sistema de refrigeración de doble compresión con inyección de vapor refrigerante (diagrama).

I pcf

I I ' i h3,*h4, ; h5', h6'

h7',h8' Entalpía h I h2'

h3'

Condens nte Condensante frío Caliente c I

I 31 Deposito de líq&do.

2' I

alimenta

I Figora 3.1 7a. Sistema de rehigeración de doble compresión con inyección de vapor refrigerani

Para el sistema de doble compresión con inyección de líquido refrigerante:

El coeficiente de desempeño (COP) esta definido por: (h, '-h, I)( h3'--h6 ')

( h2 '4, I)( h, '-hs I ) + ( h2 '-h6 ')( h4 !-h3') COP =



. &.(h2'-hs1) . m, =

( h 3 6 '-h I)

La masa que fluye en el ciclo de baja presión (pasa por el evaporador) es:

Figu1

2

I ! ; ; ' I 9 , 4 I > . h3,'h4, -. . _. hl,hl'\ i h4' hz

I hz' Entalpia h h.7'

3.18. Sistema de refrigeración de doble compresión con inyección de líquido refrigerante (diagrama).

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -L leip


/ el

Váivulas de alimentación

W Compresor

W Compresor

iura 3.18a. Sistema de refrigeración de doble compresión con inyección de llquido refrigerant

Compresión múltiple indirecta o cascadas. Se utiliza cuando la temperatura del evaporador es m y baja y las propiedades

del refrigerante imposibilitan el empleo de un Único fluido refrigerante para conseguir esa temperatura. Este sistema esta formado en realidad por dos procesos de refrigeración donde el evaporador de uno de ellos es el condensador del siguiente (figura 3.19 y 3.1 Sa).

El coeficiente de desempeño (COP) esta definido por: (h,'-h, ')(h5'-hs')

( h '-h ')( h '-h I) + ( h '-h I)( h '-h ') COP = 2 1 5 8 2 3 6 5

La masa en el ciclo de alta presión es:

. ( h2 '-h3 ')

La masa que fluye en el ciclo de baja presión es:

Q.

Vagas Ángeles Martin Seminario de proyectos L L rn

T k

- -.. 5.. -


6

I

I ' i : : ; hi, 2 hi h2 b5 h6

h4 Entalpía h ?gura 3.19 Sistema de refrigeración de compresión múltiple indirecta o cascadas (diagrama).

Válvulas de alimentación

Figura 3.19a. Sistema de refrigeraci6n de compresión multiple indirecta o cascadas.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de Drovectos.


Dependen& entre los componentes de una instalación de rehgeración. Se debe de notar la dependencia que existe entre los componentes de una

instalación, por ejemplo, la variación de la temperatura del aire del condensador hacen que varíen las condiciones de trabajo del evaporador y del compresor (figura 5.20).

Válvula de alimentación

Figura 3.20 Instalación de refrigeración.

Analizaremos con la ayuda de gráficos, la dependencia de los elementos de un sistema de refrigeración constituida por un evaporador de expansión directa, un compresor y un condensador enfriado por aire. La válvula de refrigeración será capaz de suministrar en cualquier instante la cantidad de refrigerante necesario. Así mismo serán despreciadas las caídas de presión en las tuberías de los componentes.

Existen variables internas (temperatura de vaporización y condensación) y externas (el caudal, temperatura de entrada del aire al evaporador y condensador).

La figura 3.21 muestra la producción frigorífica del evaporador en función de la temperatura de aspiración del refrigerante para diversas temperaturas de bulbo húmedo del aire de refrigeración, con el flujo de refrigeración constante.


.II*-i e40_


T= Temp. de bulbo humedo del aire de entrada del evaporador.

z : m o Y m o E O p>

t m o c al O

Y

L

.-

.- U

a

80,000

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000 -2 o 2 4 6 8 10 12 14

Temperatura de aspiración saturada.

Flujo de aire: 11,000 d / h sobrecalentamiento = 5.5 OC. !

Figura 3.21 Potencia frigorífica del evaporador.

La figura 322 muestra las características de funcionamiento del compresor en función de las temperaturas de aspiración y condensación.

La figura 3.22a indica el calor que se debe disipar en le condensador para licuarlo y subenfriarlo a 5.5 OC , la figura 3.22b indica las diferentes potencias frigoríficas producidas por el compresor en los sobrecalentamientos y su benfriamientos antes citados.

Temperatura de aspiración Saturada.

L Temperatura de condensación YC] Figura 3.22a Calor a disipar en el condensador

Vargas Angeles Martín. Seminario de proyectos. &L m


- f s g

o o

o o

O 01

m o c al O

L

.- L b

.-

c.

o.

L : o o s L o U o u) c al -0 r: O o o O

U al o O

- rr L - m

80.000

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000

I TemDeratura de condensación I°Cl

Temperatura de aspiraciói Saturada.

35 40 45 50 55 60 65

Figura 3.22b Potencia del compresor con sobrecalentamiento y subenfriamiento de 5.5OC

La figura 3.23 nos muestra las características de funcionamiento del condensador en función de las temperaturas de condensación de bulbo seco del aire de entrada, con el subenfriamiento ya citado.

T= Temp. de entrada del aire al condensador. I=

iIU,UUU

35 40 45 50 55 60 65 71

1" Temperatura de condensación ["C] Figura 3.23 Características de funcionamiento del condensador.

Con las figuras 3.23 y 3.22 construimos el diagrama 3.24a, donde las intersecciones de las líneas de temperatura del aire a la entrada del condensador, con las de la temperatura de evaporación , muestran las diferentes condiciones en que se realizará la condensación.

Vargas Ángeles Marh'n. Seminario de proyectos.


c Temperatura entrada de aire al : m o 5 L O W m Q E a3 W r O o al r al

m Q 'o

a O

-

L

n ,- .-

o L -

Tern pe ratu ra de aspiraciói Saturada.

m o Temperatura de condensación YC]

Figura 3.24a Características de funcionamiento combinado del condensador y compresor.

i Temperatura de entrada de

80,000

F

25

z <II 70,000 o

m o 60,000 c O .z 50.000

m 40,000

.- L

b

1-

al O a CI

30,000

Temperatura de aspiraciór Saturada.

35 40 45 50 56 60 65

Temperatura de condensación ["C] Figura 3.24b Características de funcionamiento combinado

del condensador y compresor..

La figura 3.24b muestra la potencia frigorífica del compresor (figura 3.22b) en función de la temperatura de entrada al compresor ( fig.3.23).

Con la figura 3.24b y la figura 3.21 se construye la figura 3.25 donde se tiene como variable común a la temperatura de evaporación.


80.000 c..l

5

??i 8 00.000

o'

E 10,000

3 70,000 o

,- c ,? 50,000 c o .-

o)

O a *

30,000

T= Temp. do bulbo humedo del aire de entrada del evaporador.

Temperatura del a la entrada del condensador.

aire

-2 o 2 4 6 8 10 12 14

Temperatura de aspiración saturada . Figura 3.25 Características de funcionamiento

combinado del compresor y condensador.

Con la figura 3.25 es posible determinar la potencia frigorífica total producida para todas las combinaciones posibles de temperatura de entrada el aire al evaporador y compresor. Obteniendo la figura 3.26 donde se aprecia la dependencia de las variables externas sobre el funcionamiento de la instalación.

- f s m

o

m O

O G

ul

m O c al O

- .- L c

.- o-

n

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Temperatura del a la entrada del condensador.

aire

Temp. de bulbo humedo del aire de entrada dei evaporador PC].

Figura 3.26 Características de funcionamiento de la instalación

Vagas Ángeles Mariín. Seminario de proyectos. -- rn

\ Sistemas de refrigeración industrial 47 1995

L/: Componentes de un sistema de refnger-ación.

Rehgerantes. El fluido frigorífico, llamado también gas refrigerante o simplemente refrigerante,

es utilizado como medio de transporte del calor, absorbe el calor de un cuerpo, espacio o sustancia (en el evaporador) y transporta el calor sustraído a un sumidero o fuente fría ( condensador).

Nomenclatura. Los refrigerantes se denominarán por su fórmula, denominación química o

denominación simbólica numérica. La nomenclatura simbólica numérica se establece a partir de su fórmula química, primero se pone una letra 'R" seguida de un número de acuerdo con la siguiente regla:

c,H,ci=px + R - (m - 1Xn + 1)x

El resto de los enlaces se complementará con átomos de cloro (y), se establece que la primera cifra (m-1) no se escriba si es cero.

Ejemplo: el R-12. 2 = x 1 = (n+ 1); n = O O = ( m - l ) ; m = l y= 2

R - 12 = CC12F2 (Diclorodifluorometano).

Si el refrigerante contiene átomos de bromo se añade una letra "B" mayúscula, seguida del número de átomos de este componente.

Ejemplo: el R - 13Bl I 3= x 1 = (n+ 1); n = O O = ( m - l ) ; m = l y =O (no hay enlaces libres)

R - 1381 =CBrF, ( bromotrifluorometano).

Vargas Ángeles Mariín. Seminario de proyectos.


Si es cíclico se añade la letra ‘IC” mayúscula antes de la expresión numérica. En los compuestos isómeros, el más simétrico se indica sin cambio alguno; al aumentar la asimetría, se colocan las letras: a, b, c,.,., etc.

Los compuestos no saturados seguirán las reglas ya expuestas, anteponiendo el número 1, como cuarta cifra, contada desde la derecha.

Los azeótropos o mezclas se expresan mediante denominaciones de sus componentes, intercalando el porcentaje en peso correspondiente a cada uno. También se pueden designar por un número de la serie “500” totalmente arbitrario I

Los compuestos inorganicos se designan sumando “700” al peso molecular correspondiente, si diferentes refrigerantes inorganicos tienen los mismos pesos moleculares, se utilizan las letras: A, B, C, ,.., etc. Para distinguirlos.

Características. Los refrigerantes deben presentar un cierto número de propiedades que hagan

que su utilización sea practica y segura. Las principales características de un refrigerante son las siguientes:

1. Poseer valores de presión y temperatura favorables, de manera que no se alcancen altas presiones en el condensador o un gran vacío en el evaporad or I

2. Elevado calor latente de vaporización, con lo que se obtendrá un elevado efecto frigorífico por unidad de masa del refrigerante en circulación.

3. Bajo calor específico del líquido, para que la fracción de líquido evaporado durante la expansión sea mínima.

4. Elevada temperatura crítica, para que el sobrecalentamiento que se produce en la compresión sea lo menor posible.

5. Bajo volumen específico.

6. Que no sean inflamables o explosivos.

Vagas Ángeles Maríín. Seminario de proyectos. ru-L m


"

zinc

7. Deben poseer estabilidad química, no debe sufrir transformaciones químicas en las condiciones de utilización del sistema, y debe ser inerte ante el agua, aceite y materiales de la instalación (tabla 4.1).

aleaciones de bajo %. honiaco Cloruro de metilo

8. Baja toxicidad; se dice que un refrigerante es tóxico cuando mezclado con el aire, aún en pequeñas cantidades, resulta peligroso para la salud de los seres vivos (tabla 4.2).

Plomo Esta&

9. Que sea económico.

fluidos clorados Fluidos clorados Hidrocarburos fluorados

Se exceptúa las juntas Con temperaturas inferiores a - i P C

1O.No contaminen o destruyan la capa de ozono; el 16 de septiembre de 1987 se firmó el protocolo de Montreal sobre sustancias que reducen la capa de ozono.

Metal Refrigerante observaciones rohibido

Las aleaciones de cobre pueden

Maanesio En gral.. salvo casos especiales de

Vargas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. - m

50 Sistemas de refrigeración industrial

. 1995

Gases de descomposición tóxicos. inflamable:

1 Gases de descomposición tóxicos, inflamable: Gases de descomposición tóxicos, inflamables Corrosivo

I Nombre químico

rlúmero de

lentifica ción

- 1-1 1 -1 2 -13 -1381 -1 4 -21 ;-22 1-113 1-1 14 1-1 15 I-C?18 i-500 3-502 3-744

- 3-30

3-40

7-1 60

Pueden producir gases de descomposición tóxicos en presencia de llamas, su olor característico proporciona un aviso antes de alcanzar concentraciones peligrosas

, primero: refrige XI3F >CI*F2 XlF3 :BrF3 ;F4

:HCIzF ZHCIF2 >C12FCCIF ;CIF2CCiF2 XIF2CF3 :4F8

202

JH2C12 iegundo: refrigei

CH3CI

CH3CH2CI

VH3

so2

CHCl CHCL

Gri Triclorotluormta. Diclorodifluormetano. Ciorotrifluormetano Bromotrifluormetano Tetrafluoruro de carbono Diclorofluormetano Clorodifluormtam 1,1,2- Triclorofluoretam 1,2-Diclorotetra~wretano Cloropentafluoretano Cctof luorciclobutano R-i2(73.8%) +R-l52a(26.2%)

Anhídrido carbónico

Jloruro de metileno

R-22(48.8%)+R-l15(51.2%)

GUE

5a10 ! 5 a 6 Iia seguric 2 a 2 4

2 a 4

6a10

3 2 a 0 3

o04 a O 0 5 2 a2 5

3 seguridí

b b b b b b c -

J. 1.2

1.05 a 1.1

!a4

i.01 a 1.03 ).o05 a 1.004

-

mcentración en aire

Peligro inocuo Caracte- delos deuna rísticas

treinta a a dos sesenta horas minutos

Advertencia

- Lesióñ nortal o impor- ante en pocos -

3 es de m 5 a 5.4

15 a 30

15 a 30

1.5 a 1

3.2 a 1

Fórmula auímica

5 Oa30 Oa30 Oa30 O 'O ' a 4 -

c_

a

f

f

d. c

Sloruro de metilo

Cioruro de etilo

4-71 7

4-764

3-1 130

bmniaco

4nhídrido sulfuroso

Gases de descomposición i.2-Dicloroetileno

c ftano

Jropano

Butano

lsobutano

Etileno

4.7 a g Altamente 5.5 inflamable R-170

R-290

R-600

R 6 0 a

R-1150

4.7 a 5.5 5 a 5.6

Altamente inflamable Altamente inflamable Altamente inflamable Altamente inflamable

4.7 e 5.5

Las letras de la columna característica significan: a) A altas concentraciones produce efecto soporífero. b) A altas concentraciones provoca una disminucibn de la cantidad de oaeno, originando sofoco y asfixia. c) No posee olor característico, pero posee un margen m y pequeño entre los efectos tóxicos y mortales. d) Olor característico, aun a bajas concentraciones. e) Irritante, incluso a bajas concentraciones r) Muysoporífeto. g) No produce lesiones mortales o importantes por debajo de los limites de explosión, de hecho no es tóxico.

Tabla 4.1 Efectos fisiológicos de los refrigerantes.'

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos.

OiUI. a


1995

ASRE Designación estándar del refrigerante

Compuestos 10 11 12 13 1381 14 20 21 22 23 30 31 32 40 41 50 110 111 112 112a 113 113a 114 114a 11 482 115 116 120 123 124

125 13% 14- 142b 143a 15Oa 152a 160 170 21 8 290

124a

La tabla 4.3 proporciona una lista de fluidos cuyas características hacen

Nombre químico Fórmula química. Peso molecular

propicio su uso como refrigerantes:

Punto de ebullición'

OC I I I

nlocar buros. retraclorwo de carbono rriclorofuorometano liclorodifluorometano 2orotrifluorometano 3omobifluorometano ietrafluoruro de carbono 2ioroformo 3iclorofluorometano 3orodifluorometano Trifluorometano Cloruro de metileno Vlorofluorometano Ruoruro de metileno Cloruro de metilo Ruoruro de metilo Metano" Hexacloroetano Pentaclorofluoroetano Tetraclorodifluoroetano Tetraclorotrifluoroetano Triclorotrifluoroetano Triclorotrifluoroetano Diclorotetrafluoroetano Diclorotetrafluoroetano DibromotetraHuoroetano Cloropentafluoretano Hexafluoruroetano Pentacloruroetano Dicloro trifluoroetano Clorotetrafiuoroetano Clorotetrafluoroetano Pentafluoruroetano Cloruro trifluoroetano Tricloroetano Clorodifluoroetano Trifluoroetano Dicloroetano Difluoroetano Cloruro de etil Etano' Octafluoropropano Propano"

cc14 CCl3F CC12F2 CCI F3 CBrF3 CF4 CHC13 CHCIzF CHCIF2 CH F3 CHzCIz CHICIF CH3F2 CH3CI CHjF CH4 cc13cc13 CCIjCCIzF CCI3CCIzF CCIzCC13F CCI,FCCI Fz CCI3CFj CCI F&CIF2 CClzFCF3

CCIFzCF3 CF3CFa CHC12CCk CH CLzCF3 CHCIFCF3 CHF$XiFz CHFzCFj CHzCICF3 CH3CCI3 CH3CCIFz CH3CF3 CH3CHC12 CHjCHFz

1 CH3CHzCI , CH3CH3

CBrFzCBrFz

- 157.8 137.4 120.9 104.5 148.9 88.0

119.4 102.9 86.5 70.0 84.9 68.5 52.0 50.5 34.0 16.0

136.8 220.3 203.8 m . 8 187.4 187.4 170.9 170.9 259.9 154.5 138.0 202.3 153.0 136.5 136.5 120.0 118.5 133.4 100.5 84.0 98.9 66.0 64.5 3o.C

188.C 44.c

Tabla 4.3 fluidos utilizados como refrigerantesz

- 76.78 23.78 -29.78 -81.44 -57.78

-128.00 61.11 8.94

-40.78 -84.39 40.67 8.89

76.78 -23.78 -78.33

-161.67 185.00 137.22

91 .E 47.56 45.67 3.5E 3.61

47.x

-78.2i

9 2 , ~

-38.72

162.22 28.7i

-12.a -1o.a -48.32

6.11 73.8E

-1 1 .a -47.3 60.a

-24.6; 12.2;

-88.6' -38.M -42.3: -

A una atmósfera de presión. El metano, etano y propano, no son halocarburos.



Nombre químico Fórmula química. pew ASRE

)esignación istándar del miecular

Punto de,, ebullición"

OC refrigerante I I I I ompuestos orgánicos varios I

~~

hmpuestos de nitrógeno 130 33 1 Amina de etil hmpuestos inorgánicos 71 7 Amoniaco 718 Agua 729 744 Dioxido de carbono c02 744A 764 Dioxjdo de azufre so2

kmpuestos orgánicos no saturados

1113 1114 1120 1130 Dicloroetileno 1132a fluorliro de vinilideno CH2=CF2 1140 1141 fluoruro de vinilo CH2=CHCI 1150 Eti lerd 1270

AmiM de metil CH3NH3 31 . l -6.50 C2H3NH2 45.1 16.56

"4 17.0 -33.33 H20 18.0 100.00

I 29.0 -194.44 44.0 -70.33

Aire

Oxido nitroso N20 44.0 -88.33 64.0 -10.00

1112a Diclorodifluoroetileno CC12=CF2 133.0 -19.44 Clorotnfluoroetileno CCIF= CF2 116.5 -27.89 Tetraíiuoroetileno CF2 = CF2 1cO.O -76.11

86.1 1 96.9 47.77 64.0 -83.89

CH2=CHCI 62.5 -13.88 46.0 -72.22

CH2=CH2 28.0 -103.89

Tricloroetileno CHCl =CC12 131.4 CHCI=CHCI

Cloruro de vinilo

ProPi!cmoN CHSCH=CH2 42.1 -47.61

iidrocarburos. 3 I Metano I CHI

Propano Butano lsobutam CH(CH3)3

150 CH2=CH2

C H 3 C H 2 C H 3

CH3CH=CH2 28.0 42.1

-161.67

-42.33

-10.00 -103.89 47.61

Smpuestos de Oxígeno i l o Éter etib CH2CH30C2H3 i l l Formto de mtil HCOOCH3 I

C I as if icac ió n . Desde el punto de vista de su composición química los refrigerantes pueden

ser:

Orgánicos; hidrocarburos y derivados, oxigenados, nitrogenados, halogenados

0 Inorgánicos I

En función de las presiones de trabajo se pueden clasificar en refrigerantes de:

... ut A una atmósfera de presión. N El etileno y propileno son compuestos orgánicos no saturados.

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos. b!m .iIcuL

Sistemas de refrigeración industriai 53 1995

Baja presión, a presión atmosférica su temperatura de ebullición es alta, mayor a 2OOC: R-11, R-113.

Media Presión, a presión atmosférica su temperatura de ebullición está comprendida entre 2OoC y -3OOC: R-12, R-C-318, R-500, R-40, R-160.

Alta presión, a presión atmosférica su temperatura de ebullición está entre -3OOC y -8OOC: R-717, R-22, R-502.

Muy alta presión, a presión atmosférica su temperatura de ebullición es muy baja, inferior a -8OOC: R-13, R-14.

~


A - “-1 4.- .,


Evaporadores.

La finalidad del evaporador es la de absorber el calor del recinto o material a refrigerar y transferir este calor al fluido refrigerante. El evaporador, ai igual que el condensador es en esencia un intercambiador de calor. Es también la parte de la instalación que más problemas causa debido a:

0 Dificultades de elección de un tipo adecuado para una instalación en particular .

0 Variación del coeficiente global de transmisión con la formación de hielo sobre tubos y aletas.

0 Disminución del rendimiento debido a la presencia de aceite procedente del compresor.

Características. Para obtener el mejor desempeño y rendimiento mayor en el evaporador debe

de reunir las siguientes características:

Presentar el mayor contacto posible con el fluido refrigerante.

El fluido refrigerante debe circular por el evaporador con pequeñas perdidas de carga.

La separación de aceite e impurezas del refrigerante debe de ser eficiente.

El vapor a la salida del evaporador debe de ser seco o sobrecalentado.

Debe presentar la ausencia total de fugas.

0 Su construcción debe ser sencilla y económica.

0 Facilidad en el desescarche.

VGgac Ángeles Martín. Seminario de proyectos. --- m


Tipos de evaporadores. Los evaporadores se pueden clasificar por el tipo de mecanismo, tipo de

construcción, y según su empleo.

Desde el punto de vista del mecanismo de ebullición (del líquido refrigerante en el evaporador) se pueden clasificar en:

Evaporadores hundados. Son evaporadores que durante su funcionamiento están llenos de líquido casi en su totalidad. Trabajan mediante válvulas de flotador, que permiten mantener el nivel del líquido. Tienen gran rendimiento, ya que toda la superficie de los tubos esta inmersa en líquido refrigerante. La gran cantidad de refrigerante necesaria encarese las instalaciones de este tipo (figura 4.1).

Salida I- Válvula de flotador

Ent

I

Fgua 4.1 Evaporador inundado

Evaporadofees semí-hundados. Este tipo de evaporadores está formado por una serie de tubos conectados a un cabezal por donde entra el líquido refrigerante. AI extremo contrario se conecta un cabezal de mayor diámetro, en el que se efectúa la aspiración de manera uniforme. Es de gran relevancia que el evaporador esté perfectamente nivelado para su adecuado funcionamiento y

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -*i.;Lcu 0


I

evitar que el líquido refrigerante llegue al compresor, asegura,además que la distribución del líquido sea uniforme a lo largo de los tubos (figura 4.2).

Figura 4.2 Evaporador semi - inundado.

Evaporadures secos. Se llaman así por que contienen exactamente la cantidad necesaria de refrigerante para evacuar el calor del recinto (figura 4.3). El elemento esencial de estos evaporadores es la valvula de regulación que permite entrar exactamente la cantidad de líquido refrigerante al evaporador.

Figura 4.3 Evaporador seco

Vargas Ángeles Martín . Seminario de proyectos. -L &a


Según su construcción, los evaporadores pueden clasificarse en tres tipos:

Evaporadores de tubo desnudo. Son tubas doblados en forma de serpentín de variadas estructuras, que son fabricadas bajo pedido, de acuerdo con la instalación específica (figura 4.4). Se utilizan, al igual que los de placa para temperaturas menores de - 1 O C y es inevitable la acumulación de escarcha sobre la superficie.

~ ~-

Figura 4.4 Evaporador de tubo desnudo

Evaporadores de placa. Son evaporadores construidos con dos láminas planas de metal, estampada, unidas y soldadas de manera que proveen al fluido refrigerante de una trayectoria; este tipo se utiliza en refrigeradores domésticos y congeladores, se limpian fácilmente, es económico y puede darse la forma que se desee. Otro tipo es el construido con una tubería en zigzag instalada entre dos placas metálicas que se encuentran soldadas (figura 4.9, el espacio entre placas puede ser rellenado por una solución eutética para obtener una reserva de frío.

Vagas Ángeles Martín. Seminario de proyectos.

w1-i e4or_

Sistemas de refrigeración industrial % 58 1995

I Figura 4.5 Evaporador de placa.

Evaporadores de tubo y alefas. Son serpentines de tubo desnudo sobre los cuales se instalan aletas o placas metálicas, que sirven para aumentar la superficie de contacto, mejorando su eficiencia.

Los evaporadores también se pueden clasificar según su empleo, en dos grandes grupos.

Evaporadores para enhhmiento de hquidos

Enfriadores de aaua y Iíauidos inconaelables.

Evaporadores de serpentín. Son evaporadores de tipo sumergido que están formados por uno o varios serpentines, en ellos el refrigerante circula por el interior y el líquido a enfriar envuelve al serpentín.

Evaporadores de tubos en paralelo. Consisten en varios serpentines conectados en paralelo a dos conectores comunes, que son alimentados por el conector inferior. Estos trabajan en régimen semi-inundado.

Evaporador intercambiador. Es un intercambiador que se encuentra aislado del medio ambiente. Por el interior de los tubos circula el refrigerante y del lado de



la carcaza el líquido a enfriar (figura 4.6), Se utilizan en instalaciones que requieren una producción rápida.

Figura 4 6 Evaporador intercambiador.

Evaporador de tubos transversales. Se utilizan en la fabricación de hielo, en el enfriamiento de la salmuera. Consisten en dos conectores unidos por una serie de tubos verticales (figura 4.7) I

t I

Figura 4.7 Evaporador de tubos transversales.

EvaDoradores Rara enfriamiento de aire. La forma del evaporador depende del empleo que se destine al evaporador, y

las características del local. Se fabrican en tubo liso o en tubo con aletas. Según el sistema de circulación de aire, los evaporadores pueden clasificarse en : evaporadores de convección natural (figura 4.8), y evaporadores de convección forzada (figura 4.9). Este Último presenta sobre el primero las siguientes ventajas:

0 Aumento en el coeficiente global de transmisión.


60 Sistemas de refngeración industrial 199s

Facilidad de colocación en la cámara.

0 Regulación de la humedad relativa.

Desviador de /-FluJo

1 Bandeja d e / Condensados

Evaporador circular.

Figura 4.9 Evaporadores de convección forzada (techo).

Seminario de proyectos. Vagas Ángeles Martin. m m...wz=.sc


1995

Compresores

El compresor, mediante un aporte externo de energía, aspira los vapores del evaporador, a baja presión; los comprime y los descarga a una presión mayor, alta presión, al condensador.

Clasificación de los compresores. Los compresores se pueden clasificar de acuerdo con la forma en que disipan

el calor de la compresión:

Abiertos El compresor y el motor se encuentran en bloques separados, el primero se

enfría por un fluido que circula por las camisas de los cilindros y el motor se enfría por aire. Estos son empleados para grandes potencias (figura 4.1 O).

1 Figura 4.10 Compresor Abierto (sin motor ).

Semiherméticos. El compresor y motor se encuentran en un bloque hermético, con posibilidad

de poder acceder al interior; se refrigeran por agua, aire o fluido refrigerante. Se emplean para medias y bajas potencias.


Hermético. Son iguales que los anteriores, pero no es posible acceder al interior ya que el

bloque se encuentra soldado. Su empleo es para bajas potencias.

Los compresores también se pueden clasificar en: compresores de desplazamiento positivo y compresores de desplazamiento cinético, en los primeros el fluido refrigerante sufre una verdadera compresión mecánica, ya que la reducción volumétrica se realiza por medio de un elemento que comprime. Los de desplazamiento cinético, realizan la compresión por la fuerza centrífuga ejercida sobre los vapores atrapados durante la rotación de un rodete a gran velocidad.

Los compresores de desplazamiento positivo se dividen en :

Compresores alternativos: es el tipo de compresor más difundido actualmente, ya que se fabrican en capacidades de 1/8 HP hasta 250 HP o más en instalaciones grandes, además por su durabilidad y alta eficiencia en diversas condiciones de operación los tiene en el primer lugar de demanda. Este compresor consiste en un determinado número de cilindros y pistones con sus válvulas respectivas, donde se realiza la compresión. Según la colocación de los cilindros se les llama verticales u horizontales, en el diseño de la disposición de los cilindros se tienen en V, W o en estrella. Existen compresores alternativos que han sido modificados para cumplir con las necesidades de los usuarios, tales como:

Pistón seco con laberinto.

Electromagnético.

Oscilante.

Axial.

Compresores rotativos: Son de movimiento continuo, se pueden utilizar para todo tipo de fluidos cloro-fluoratados y con amoniaco, pero sus resultados con fluidos con temperaturas de ebullición relativamente elevadas (-5 a 15OC) son mejores. Se fabrican en todas las potencias y puede conseguirse un vacío mayor, por su espacio muerto despreciable. Existen dos tipos fundamentales :

Compresores de paletas (figura 4.1 1 a).

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -- rw


0 Compresores excentricos.(figura 4.1 1 b).

I Descarga

Compresores de tornillo: También llamados helicoidales (figura 4.1 2) se utilizan para potencias muy grandes, giran a velocidades de 3000 a 30000 r.p.m., no emplean válvulas, se logran variaciones del 10 al 100% de la potencia total. Pero tienen el inconveniente que debe de contar con un separador de aceite eficaz.

Los compresores de desplazamiento cinético, también llamados centrífugos, tiene un desempeño Óptimo con refrigerantes de presión de vapor pequeña y un gran peso especifico. Los rendimientos varían del 70 al 80%.

Vargas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. u- dTB


64

Condensadores.

La finalidad del condensador es la de licuar los vapores del refrigerante, a alta presión, provenientes del compresor. El condensador se considera como un intercambiador de calor, cuya cesión de calor se realiza en tres fases:

0 Enfriamiento de los vapores de la temperatura de descarga a la temperatura de condensación.

Cesión de calor latente de condensación a temperatura constante.

0 Enfriamiento del líquido de su temperatura de condensación hasta la temperatura deseada.

Características del condensador. Es necesario que el condensador cumpla con las siguientes características,

que son independientes del tipo de condensador.

0 Amplia admisión del gas en el aparato.

0 Rápida evacuación del líquido.

Funcionamiento en contracorriente para aumentar su eficiencia.

0 Velocidad del medio enfriador rápida, para mejorar la transferencia de calor.

Tipos de condensadores. Los condensadores se pueden clasificar según el medio de enfriamiento que

utilicen:

Enfriados con aaua: en las instalaciones industriales se emplea siempre que es posible el agua, ya que el empleo del aire como medio refrigerante conduce a aparatos de grandes dimensiones, además de presentar problemas en zonas cálidas. Hay condensadores de agua que utilizan el calor sensible o el calor latente. Se utilizan para potencias grandes o medianas. Para la instalación de


65

condensadores enfriados por agua hay que tener presente las siguientes consideraciones :

1. El agua empleada debe de estar exenta, lo mas posible, de materiales que se adhieran al condensador a fin de evitar incrustaciones.

2. Debe haber agua suficiente para el correcto funcionamiento del condensador.

3. Cuanto menor sea la temperatura del agua, mayor sera la extracción de energía que dispondrá del fluido por unidad de masa.

4. La velocidad del agua no debe ser menor a 3 m/s.

5 . Que los materiales de construcción' sean adecuados al requerimiento del condensador, para evitar la corrosión.

6. El condensador debe ser revisado y reparado regularmente.

Multitubula/es (sensible). a) Horizontales de carcaza. Consta de una envolvente cilíndrica, en cuyo

interior van montados tubos paralelos longitudinales, fijados en ambos extremos por unas placas, por los tubos circula el agua y por el interior de la carcaza el fluido refrigerante. Son idénticos a los evaporadores de tubo y coraza. Se tiene la limitación que no se pueden emplear aguas muy sucias o duras. Se pueden emplear aletas en los tubos para aumentar la superficie de contacto y así aumentar su eficiencia. Su coeficiente global de transmisión es de alrededor de los 900 Kcal/m2 hoc. Es un condensador que requiere poco espacio.

b) Verticales de carcaza. Análogo al anterior pero colocado verticalmente. En el fondo donde terminan los tubos de agua se encuentran abiertos al aire. La principal ventaja es que los tubos se pueden limpiar sin interrumpir el proceso, (figura 4.1 4). Aunque tienen un consumo de agua elevado, aproximadamente el doble que uno horizontal de la misma capacidad. Su coeficiente global de transmisión es de alrededor de los 600 - 700 Kcal/m2 hoc, Este condensador requiere poco espacio. No pueden emplearse aguas muy duras.

Vargas Ángeles Marlin. Seminario de proyectos.

66 Sistemas de refrigeración indmtrid -- ~ I

1995

Salida agua caliente

Figura 4.1 3 Condensador vertical.

c) Doble tubo. Consta de dos tubos concentricos; por el interior circula el agua, y el fluido refrigerante circula a contracorriente entre los tubos (figura 4.15); los codos son desmontables para facilitar la limpieza. Para este tipo de condensador su coeficiente global de transmisión está entre los 600 - 800 Kcal/m2 hoc.

Tubo de unibn

\ S a l i d a Agua Tibia

Entrad agua fria

Recipient e/ de Líquido

k a i i d a liquido refrigerante

Figura 4.14 Condensador de doble tubo.

Vagas Ángeles Martin. Semina'o de proyectos.

Sisiemas de refrigeración industrial 67 1995

Condensadores atmosféricos (sensible y latente) I Son unos serpentines colocados en diversas formas, que por el interior circula

el fluido refrigerante. Estos serpentines son bañados por unas regaderas, en forma de lluvia. El efecto de enfriamiento se origina por el calentamiento del agua y por su evaporación parcial al contacto con el aire. Son caros y su coeficiente global de transmisión es bajo de 250-300 Kcal/m2 ho C. Este tipo de condensadores se utiliza cuando hay escasez de agua. Según la forma como estén colocados se clasifican en :

a) De tubos horizontales. Consta de uno o más serpentines verticales de tubos horizontales, alimentados por un colector común y descargando de igual manera sobre un colector común. Lleva la entrada de refrigerante y de agua en la parte superior.

b) De descarga. Es igual al anterior, pero con unas derivaciones en los codos, que conducen al líquido condensado a un recipiente, trabajan a contracorriente y su coeficiente global de transmisión está entre 650 -900 Kcal/m2 OC *

Condensadores evaporativos. Reducen el consumo de agua, hasta en un 1/20 de un condensador

multitubular. Es en esencia un condensador de tubo con aletas, que tiene la entrada del refrigerante por la parte superior. Va instalado en el interior de una caja, que tiene una entrada de aire, por la parte inferior lateral y una salida del aire por la parte superior, en el techo. La parte baja en un depósito de agua, cuyo nivel se mantiene. Se toma el agua de este depósito y se bombea a la parte superior de el condensador donde se pulveriza, tal como se ve en la figura 4.15. Sobre las pulverizadores se colocan unas placas que evitan que el agua escape al ser arrastrada por el aire. La salida del aire suele ser por convección forzada, un ventilador. El rendimiento de estos condensadores depende de la humedad relativa del aire y la temperatura de condensación del fluido. El coeficiente global de transmisión esta entre 300 - 600 Kcal/m2hC. El mayor inconveniente es el precio, pero se ve la posibilidad de amortizarlo si hay escasez de agua y resulta cara la extracción de la misma.

llargas Ángeles Martín --- &a Seminario de proyectos.


,adores

Condensador

ua fresca

Figura 4.15 Condensador evaporative.

Condensadores enfriados por aire. La transferencia de calor entre un fluido gaseoso y uno líquido siempre es peor

que la transferencia entre dos líquidos. Según como sea la circulación de aire sobre el condensador, se clasificaran en condensadores de convección natural y condensadores de convección forzada, por la acción de un ventilador. Solamente los refrigeradores caseros son los que utilizan este tipo de condensador. Según su forma, pueden ser de tubos lisos, tubos con aletas o de placas.

Vargas Ángeles Mariín. Seminario de proyectos.

Sisterrias de refrigeración industrial 69 1995

Control y regulación de las instalaciones hgorfhcas.

Las centrales frigoríficas deben trabajar generalmente en condiciones de carga no estática, que es variable de la hora del día, época del año y de la cantidad de producto a refngerar. En consecuencia, las instalaciones deben estar dotadas de aparatos de control y regulación que varíen la producción de frío en función de la carga en cada instante. También se debe prever una serie de elementos de seguridad y protección que detengan total o parcial el funcionamiento de la instalación cuando las condiciones de operación sean anormales o peligrosas.

Los elementos principales empleados para la regulación son:

Tubos capilares y válvulas de expansión (manuales, termostáticas o de control de nivel Iíquido).

Las válvulas solenoides,

0 Las válvulas barostáticas.

Mientras que para la seguridad y protección de la instalación se utilizan:

0 Presostatos de alta o baja presión.

0 Presostatos diferenciales

40s termostatos.

Válvulas de expansión. La misión de las válvulas de expansión es la de reducir la presión del

refrigerante de la presión alta (que se encuentra en el condensador), hasta la de baja presión (existente en el evaporador). A demás regula el caudal del refrigerante que llega al evaporador, de manera que éste se encuentre en todo momento con carga justa.

Son varios tipos de válvulas que se emplean para el control de las instalaciones frigoríficas. Los tipos más utilizadas en las instalaciones son:

Tubos capilares.

Vagas Ángeles Martin. Seminario de proyectos. -b #

Sistemas de refrigeración industrial 70 1 995

Válvulas de expansión termostáticas.

Válvulas de control de nivel del refrigerante.

Tubos capilares. Se emplean en los grupos autónomos de pequeñas potencias y en los refrigeradores domésticos. Son tubos cuya longitud varia entre los 0.6 y 6 metros, cuyo diámetro interno está entre 0.6 y 2.25 mm. Deben ser dimensionados de manera que se consiga que el flujo del refrigerante a través de el sea suficiente para conseguir las toneladas de refrigeración necesarias y, al mismo tiempo, reduzca la presión de la de alta presión a la de baja presión.

Generalmente se coloca por el lado de la tubería de líquido y se recomienda que quede adherido a la tubería de la succión en proporción que se favorezca una transferencia de calor para tender a minimizar la formación de gas instantáneo en el tubo capilar. Aunque su regulación puede ser mejorada con el empleo de intercambiadores de calor, debemos decir que un capilar subalimenta o sobrealimenta al evaporador cuando las condiciones de operación sean diferentes a las de diseño provocando una disminución de potencia refrigerante s u m in is t rad a.

Sobre la tubería de succión puede ser necesario instalar un separador de

Las principales ventajas son su bajo costo de inversión y de operación, pero su líquido para evitar que éste pueda llegar al compresor.

funcionamiento es limitado a las condiciones de diseño.

Válvulas de expansión manual. Son válvulas de aguja operadas manualmente. La principal desventaja es que no responde a cambios de carga del sistema y, por lo tanto debe ajustarse manualmente cada vez que exista un cambio en la carga.

Válvulas de expansión termostáticas. Las válvulas de expansión termostáticas (figura 4.16) son las más usadas

debido a su eficiencia y la facilidad con que se adaptan a cualquier tipo de aplicación en refrigeración. Regulan la cantidad de refrigerante que llega al evaporador, de manera que cualesquiera que sean las condiciones de carga, el líquido se evapore completamente en el evaporador y salga en condiciones de sobrecalen tado.

Vagas Ángeles Martin Seminab de proyectos.


idor

I F n t r a Figura 4.16. Válvula termostática

Las válvulas termostáticas se pueden clasificar en función de las fuerzas ac tuantes :

Válvulas con equilibrador interno.

Válvulas con equilibrador externo.

Válvulas con equilibrador interno. El bulbo sensible está lleno del refrigerante de la instalación y se encuentra muy unido con la tubería de salida del evaporador. El fluido contenido en el bulbo ejerce una presión P, sobre la parte superior del diafragma de la válvula tendiéndola a abrirla, mientras que el refrigerante contenido en el evaporador ejerce una presión P2 sobre la parte inferior, que conjuntamente con la ejercida por el muelle P3, tiende a cerrarla. Es evidente que para abrir la váivula, es necesario que P, sea superior a P2+P,,

La figura 4.17 muestra un evaporador funcionando con R-12 y cuya temperatura de aspiración saturada es de 4.4OC.

‘dargas Ángeles Martin. ,Seminario de proyectos.


P 1 =3.28Kgicmz

Figura 4.1 7. Diagrama de Válvula termostática con equilibrador interno.

Válvulas con equilibrador externo. En el caso que exista una caída de presión notable en el evaporador (en la práctica la salida de la válvula y del evaporador supere al equivalente de 1.5OC de diferencia entre las temperaturas de saturación), es conveniente recurrir a la válvula termostática con equilibrador externo, ya que si se utiliza el otro tipo de válvula termostática, se necesitaría un alto porcentaje de la superficie del evaporador para obtener el sobrecalentamiento. En esta válvula la presión por debajo del diafragma es la existente en la salida del evaporador y el sobrecalentamiento esta dentro de los límites normales de operación (figura 4.18).

1 =2.58Kglcm I

Figura 4.18. Diagrama de Válvula termostática con equilibrador externo.

Las válvulas de expansión termostáticas cuyos bulbos están llenos con el mismo refrigerante de la instalación se limita su empleo a las instalaciones que funcionen con temperaturas relativamente elevadas. Existen válvulas con una cantidad de líquido que se evapora completamente por encima de una cierta temperatura, con lo que se obtiene un límite máximo, con lo que protegemos al motor eléctrico contra posibles sobrecargas, el golpe de líquido en el compresor.

Vargac Ángeles Martin. Seminario de proyectos.


73

Existen también válvulas de tipo termostático cuyo bulbo esta lleno de un líquido de características diferentes al del refrigerante lo que permite un mejor funcionamiento en las instalaciones.

La elección del tipo de valvula se realiza teniendo en cuenta:

0 Refrigerante empleado.

0 Temperatura de evaporación.

0 Potencia necesaria.

Diferencia de presión disponible a través de la válvula.

Válvulas requladoras del nivel del tíauido. Se utilizan en los evaporadores de tipo inundado. Los principales tipos empleados son:

Válvulas de flotador montadas sobre la línea de baja presión.

Válvulas de flotador montadas sobre la línea de alta presión.

Interruptores de flotador.

Las válvulas de flotador montadas sobre la línea de baja presión están constituidas esencialmente por un flotador que comanda a una válvula de admisión de líquido, de manera que el nivel del refrigerante en el evaporador permanezca constante. Las válvulas de flotador montadas sobre la linea de alta (figura 4.19) presión trabajan en forma similar pero en la parte de alta presión de la instalación. El refrigerante llegara al evaporador en la misma cantidad con la que llega al condensador, impidiendo el paso a los vapores del lado de alta al lado de baja presión. Estas válvulas exigen un cuidadoso control de la carga de refrigerante y son empleados en las instalaciones frigoríficas de tipo centrífugo.

Vargas Ángeles Martin. - - Seminario de proyectos.


Envolvente I eva del flotador

- rCabeZa'

/ Flotador Tubo de Purga I Figura 4.19. Válvula de Rotador .

El nivel del refrigerante en un evaporador de tipo inundado puede ser mantenido dentro de los límites establecidos por el empleo de un interruptor de flotador que abre o cierra una válvula solenoide situada sobre la tubería de admisión de líquido.

Válvulas solenoides. Es aquella válvula que el cierre o apertura es provocado por la fuerza de gravedad, por una presión o por la acción de un muelle, mientras que su apertura o cierre es provocado por el movimiento de un núcleo metálico sometido al campo magnético creado por un solenoide recorrido por una corriente eléctrica.

Sirven para cortar totalmente el flujo de fluido a través de ellas, se pueden ocupar para impedir el paso del refrigerante al evaporador o al condensador en caso de una mala operación de estos, regular el número de secciones activas de una pila de evaporadores sometidos a una carga parcial, etc.

Válvulas barostáticas. Estas válvulas montadas normalmente sobre la tubería de aspiración, impiden que las presiones de evaporación desciendan por debajo de un valor prefijado. La válvula barostática es empleada para realizar las siguientes funciones:

1 .Regular la temperatura de evaporación independientemente de las variaciones de la presión de aspiración del compresor.

Vargas Árigeles Martin. Seminario de proyectos. --- m


2.Mantener la presión de un evaporador a un nivel mas elevado, cuando se requiera una temperatura de aspiración- del compresor, mas baja en los restantes conectados a la misma instalación.

3.lmpedir la formación de hielo en el evaporador cuando exista este peligro.

Presostatos. Son interruptores accionados por una presión que actúa sobre un fuelle o diafragma son utilizados para proteger los compresores.

Termostatos. Son empleados como elementos de seguridad, principalmente en los evaporadores enfriadores de agua cuando los termostatos de mínima “detectan” que la temperatura del agua es muy baja paran el compresor para evitar el congelamiento del agua.


1995

W. Conclusiones.

Para que el funcionamiento de un siStema.de producción de frío sea adecuado y eficiente se deben de tener en cuenta los siguientes puntos:

La técnica utilizada para la producción del frío depende del: capital disponible, los recursos energéticos que se tengan y, por supuesto, de la utilización final que tendrá el sistema. Es decir, si se tiene una fuente de vapor de alta entalpía no utilizada es recomendable la utilización de un sistema de adsorción o de absorción, pero si no se cuenta con el capital suficiente para realizar la inversión es mejor pensar en otra opción.

Una vez seleccionada la técnica que se va a utilizar en la producción de frío, hay que evaluar las posibles modificaciones, que hagan al sistema base más eficiente, teniendo en cuenta las pérdidas energéticas que se tienen por el transporte del fluido refrigerante a través de los componentes del sistema (tuberías, condensadores, evaporadores, compresores, etc.) I Las variables de decisión en la selección de la implementación de estas modificaciones serán: eficiencia energética y el COP.

La selección del refrigerante que se utilice se fundamentara en un criterio que haga que su uso sea práctico y seguro.

Se debe notar la dependencia entre los componentes de una instalación de refrigeración para que el sistema trabaje en las mejores condiciones durante todo el año, es decir, que trabaje en las condiciones de diseño.

De los productos ofrecidos en el mercado nacional se deben de seleccionar aquellos que presenten las mejores características de diseño y funcionalidad dentro de las condiciones de operación especificadas en el proyecto. En los anexos se encuentra una selección de estos sistemas industriales, además de una variedad de componentes individuales.

Vagas Ángeies Martin. Seminario de proyectos.

. . . - . u . - - . . . .

..d .... --+. . j .

77 Sistemas de refiigeración industrid 1995

Wt. Bibtjografih.

1. NUEVO CURSO DE INGENIERíA -DEL FRíO, Colegio Nacional de

Ingenieros Agrónomos de Murcia. 1993.

2. MANUAL DE ARE ACONDICIONADO, Carrier Air Conditioning Company,

Marcombo S.A.

3. ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y REFRIGERACI~N, Carlo Pizzetti,

4. FUNDAMENTOS DE AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACI~N,

Librería Editorial Bellisco.

Eduardo Hernández Goribar.

5. PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN, Dossat, Ed. John Wiley.

6. ASHRAE Guide and Data Book, Applications, Refrigerant Piping Section.

Vargas bgeles Martin. Seminario de proyectos. -- a

seminario de proyectos i ii. - 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/uam5621.pdf · la realización...

Documents