sistemas de refrigeración-termodinámica
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Explicación de los Sistemas de RefrigeraciónTRANSCRIPT
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
INDICE
I. INTRODUCCIÓN
II. HISTORIA Y APLICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN
III. CONCEPTO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN O CICLO INVERTIDO DE CARNOT
IV. FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
V. COMO SE MANEJA UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
VI. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
VII. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
VIII. PARTES DE LA REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
IX. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
X. EL COP DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
XI. PARTES DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
XII. REFRIGERACIÓN POR OTROS SISTEMAS
XIII. CHORRO DE VAPOR
XIV. CHORRO DE AIRE
XV. BIBLIOGRAFÍA
XVI. ANEXOS
INTRODUCCIÓN
La Refrigeración es una técnica que se ha desarrollado con el transcurso del tiempo y el avance de la
civilización; como resultado de las necesidades que la misma sociedad presenta a medida que avanza
la tecnología y la invención en diferentes campos, contribuyendo a elevar el nivel de vida de las
personas. La base sobre la que se fabrican nuevas sustancias y materiales la suministra la ciencia,
siendo un tema muy interesante la selección de los refrigerantes, por dos razones principales: en
primer lugar, los parámetros de operación que alcanza cada uno de ellos, esto es: presión y
temperatura de evaporación y condensación y en segundo lugar la contribución a la destrucción de la
capa de Ozono logrando aumentar el calentamiento global. Las aplicaciones de la Refrigeración son
muy numerosas, siendo una de las más comunes la conservación de alimentos, acondicionamiento
ambiental, enfriamiento de equipos y últimamente en los desarrollos tecnológicos de avanzada en el
área de los ordenadores. La diversidad de equipos empleados para refrigeración y acondicionamiento
de aire es muy grande, y su funcionamiento se ajusta, en términos generales, a ciertos procesos
termodinámicos tales como: evaporación, compresión, condensación y expansión. Cada sistema tiene
sus características particulares. Cada tipo de compresor opera según distintos mecanismos de
compresión (alternativos, rotativos, helicoidales, entre otros). Cada dispositivo de control está
diseñado para mantener algún parámetro de funcionamiento de un equipo entre determinados límites,
principalmente: temperaturas, presiones, acumulación de hielo, entre otros fenómenos que se desea
controlar. Algunos sistemas logran eliminar el uso de compresores valiéndose de procesos de
absorción, pero a su vez requieren de fuentes externas directa e indirecta, como por ejemplo: energía
eléctrica, gas natural, vapor de agua o calor residual. Así pues, la selección de sistemas de
Refrigeración, dependen en gran medida de cuanta carga térmica se desea extraer, del tipo de
instalación que se requiere y del costo tanto inicial como de mantenimiento. A continuación se
presentarán conceptos básicos y los aspectos más destacados de los diferentes sistemas de
Refrigeración que existen.
HISTORIA Y APLICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN
La refrigeración consiste en reducir y mantener la temperatura de un espacio determinado por debajo de la temperatura ambiente, básicamente para la conservación de alimentos. Otras aplicaciones permiten licuado de gases, enfriamiento de procesos industriales, aire acondicionado, etc.
La conservación de alimentos por medio de refrigeración tiene muchas ventajas sobre el enlatado, el secado o el curado, debido a que permite al producto conservar su frescura y todo su valor nutritivo y vitaminas. La refrigeración retarda el proceso de descomposición natural realizada por bacterias, enzimas y hongos, aletargando a los microorganismos, pero no eliminándolos, por lo que el almacenamiento no debe ser indefinido.
Los primeros “refrigeradores” del siglo XIX usaban hielo para enfriar su interior; luego en 1856 surgió el primer refrigerador por compresión de vapor y se utilizó para enfriar cerveza. Sucesivamente se fueron desarrollando nuevos y más pequeños motores y compresores, hasta llegar a los sistemas actuales.
Los equipos de refrigeración más empleados por las empresas son los cuartos fríos, las refrigeradoras comerciales, las máquinas de fabricación de hielo y el transporte refrigerado.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN O CICLO INVERTIDO DE CARNOT
CONCEPTO
Los denominados sistemas frigoríficos o sistemas de refrigeración corresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos -o más focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones.
En el estudio acabado y diseño de estos sistemas frigoríficos se aplican diversas ciencias, tales como la química, en las propiedades y composición de los refrigerantes; la termodinámica, en el estudio de las propiedades de la materia y su energía interna; la transferencia de calor, en el estudio de intercambiadores de calor y soluciones técnicas; así como la ingeniería mecánica, en el estudio de compresores de gas para lograr el trabajo de compresión requerido. Se han mencionado estas disciplinas dejando de lado la electricidad, desde los tradicionales conocimientos en corrientes trifásicas para la alimentación de los equipos, hasta conocimientos relativamente avanzados en automatización y PLC, para el control automático que estos requieren cuando están operando en planta frigorífica. Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí conforme su método de inyección de refrigerante y configuración constructiva, ambos condicionados por sus parámetros de diseño. De
esta manera, y haciendo un adecuado balance de masas y energías, es posible encontrar la solución adecuada a cualquier solicitación frigorífica.
FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Cuando el líquido refrigerante pasa a través de la válvula de expansión su estado cambia. Este
cambio de estado se efectúa por la ebullición del líquido a causa de la caída de presión. Al mismo
tiempo, se produce un punto más bajo de ebullición del líquido como consecuencia de la caída de
presión. En la válvula, el calor ni se aplica ni se disipa. A la entrada del evaporador hay una mezcla
de vapor y líquido mientras que en la salida del evaporador, el vapor es saturado. Cuando el vapor
pasa a través del compresor sus condiciones cambian. La presión se eleva a la presión de
condensación. Más energía en forma de calor le ha sido también introducida. A la entrada del
condensador, la condición por tanto, es de la de un vapor recalentado, el calor es evacuado por el
condensador a sus alrededores. Lo primero que sucede en el condensador es un cambio de un vapor
fuertemente recalentado a un vapor saturado y luego una condensación de éste vapor, la evaporación
se efectúan a temperatura constante. En la práctica el proceso de refrigeración aparecerá ligeramente
diferente al diagrama presión entalpia. A causa de un pequeño recalentamiento del vapor que procede
del evaporador y la temperatura del líquido antes de la válvula de expansión se sub-enfría débilmente
a causa del intercambio de calor que se produce a su alrededor.
COMO SE MANEJA UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Una vez instalados y funcionando adecuadamente, es muy importante contar con el soporte y
mantenimiento técnico requerido por los equipos para asegurar su desempeño óptimo. De acuerdo
con el fabricante se puede ser tanto preventivo como correctivo. Es importante tener en mente que
únicamente un técnico certificado y en constante capacitación será capaz de ofrecer el mejor servicio
para cada equipo. El mantenimiento preventivo implica revisar y monitorear los niveles de aceite,
refrigerante, presiones y temperatura así como que el control del equipo responda de manera correcta.
Lo recomendable es llevar a cabo dicho procedimiento una vez al mes para determinar si es necesario
corregir alguna falla. Por otro lado, el mantenimiento correctivo se lleva a cabo cuando se detecta que
hay que remplazar una pieza que se averió, hacer cambio de aceite o de filtros e incluso cuando el
compresor se dañó y se necesita de una nueva unidad. En la instalación de un sistema de
refrigeración, se requieren de materiales o medios para ensamblar los componentes principales
(evaporador, compresor, condensador y aparato de medición), como son las tuberías que sirven para
que el refrigerante no se disipe hacia el ambiente En el ciclo de refrigeración, los componentes están
conectados de la siguiente manera: hay una tubería de succión que se enlaza con el evaporador; una
tubería de gas caliente o descarga que enlaza el compresor con el condensador y por último la tubería
de líquido que enlaza el condensador con el aparato de medición. Estos son los componentes mayores
del ciclo de refrigeración, pero también debemos conocer, que tubería se usa para conectar estos
elementos y formar un sistema sellado de tal manera que el refrigerante no escape.
CICLO INVERTIDO DE CARNOT
Recuerde que el ciclo de Carnot es un ciclo totalmentereversible que se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos. Tiene la máxima eficiencia térmica para determinados límites de temperatura y sirve como un estándar contra el cual los ciclos de potencia reales se comparan.
Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Al hacerlo también se invertirán las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj en el diagrama T-s, que se llama el ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido como un refrigerador de Carnot o una bomba de calor de Carnot.
Considere un ciclo invertido de Carnot ejecutado dentro de la campana de saturación de un refrigerante, según lo muestra la figura 11-2. El refrigerante absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura a TL en la cantidad de QL (proceso 1-2), se comprime isentrópicamente hasta el estado 3 (la temperatura se eleva hasta TH), rechaza calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a TH en la cantidad de QH (proceso 3-4) y se expande isentrópicamente hasta el
estado 1 (la temperatura desciende hasta TL). El refrigerante cambia de un estado de vapor saturado a un estado de líquido saturado en el condensador durante el proceso 3-4.
Los coeficientes de desempeño de los refrigeradores y de las bombas decalor de Carnot se expresan en términos de la temperatura como:
Observe que ambos COP aumentan cuando la diferencia entre ambas temperaturas decrece, esto es, cuando TL se eleva o TH baja.
El ciclo invertido de Carnot es el ciclo de refrigeración más eficiente que opera entre dos niveles específicos de temperatura. Por lo tanto, es natural considerarlo en primer lugar como un ciclo ideal esperado para los refrigeradores y las bombas de calor.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Existen dos tecnologías para la refrigeración ampliamente utilizadas, los sistemas de compresión de vapor y los de absorción, además de sistemas no convencionales como los de chorro de vapor, chorro de aire, etc. y cada uno tiene variaciones según la aplicación específica, como pueden ser, la compresión en varias etapas, la utilización de refrigerantes secundarios, refrigeración solar, refrigeración de gas con regeneración, etc.
REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
La refrigeración por compresión desplaza la energía térmica entre dos focos; creando zonas de alta y
baja presión confinadas en intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de
energía se suceden cuando elfluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de estado; de
líquido a vapor, y viceversa.
El proceso de refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido
a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado
evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el
líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado
de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio
gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica.
Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del
vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador.
En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible,
ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce un
aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el sub
enfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por
medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del
refrigerante. De esta manera, el refrigerante ya en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a
través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión estado líquido,
puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración
por compresión.
Observe que a diferencia de los ciclos ideales analizados antes, el ciclo de refrigeración por
compresión de vapor no es un ciclo internamente reversible puesto que incluye un proceso
irreversible (estrangulamiento). Este proceso se mantiene en el ciclo para hacerlo un modelo más
realista para el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor. Si el dispositivo de
estrangulamiento fuera sustituido por una turbina isoentrópica, el refrigerante entraría en el
evaporador en el estado 4_ y no en el estado 4. En consecuencia, la capacidad de refrigeración se
incrementaría (por el área bajo la curva del proceso4_-4 en la figura 11-3) y la entrada neta de trabajo
disminuiría (por la cantidad de salida de trabajo de la turbina). Sin embargo, el reemplazo de la
válvula de expansión por una turbina no es práctico, ya que los beneficios adicionales no justifican el
costo y la complejidad que se generan.
Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son
dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden
analizarse como procesos de flujo estacionario.
Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con
los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la
ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce al condensador y el
evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático.
Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por
compresión de vapor pueden expresarse como:
PARTES DE LA REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
COMPRESOR
El compresor es considerado el corazón del sistema de refrigeración, donde ocurre una transformación de energía eléctrica en entalpía y presión del gas, que permite mantener dos niveles de presión en el sistema, uno donde se evapora y el otro donde se condensa, es decir, succiona vapor a baja presión y lo descarga como vapor a alta presión.
Las características más importantes del funcionamiento de un compresor son su capacidad de refrigeración y su potencia; estas dependen principalmente de la presión de succión y de descarga.
CONDENSADOR
El condensador es el intercambiador de calor donde el refrigerante en forma de vapor proveniente del compresor, se enfría y se condensa por medio de una transferencia de calor hacia un sumidero que generalmente es aire o agua, de esta forma el calor del proceso de refrigeración es retirado del sistema, es decir, el refrigerante cambia el estado, pasando de vapor a líquido, teniendo como resultado un calor que es añadido al aire.
EVAPORADOR
Los dispositivos de expansión son aquellos destinados a disminuir la presión del líquido y a controlar el flujo de refrigerante hacia el evaporador, es decir, el líquido a alta presión es estrangulado convirtiéndose a un líquido a baja presión. El tubo capilar es el más usado para sistemas de refrigeración de potencia menor de un caballo de vapor, para sistemas de tamaño medio, lo más frecuente es el uso de válvulas de expansión termostáticas. Para los evaporadores inundados se utilizan las válvulas de flotador.
DISPOSITIVO O VÁLVULA DE EXPANSIÓN
El evaporador es un intercambiador de calor que permite el enfriamiento o refrigeración del material que interesa refrigerar, mientras el refrigerante que proviene del dispositivo de expansión, ebulle al recibir dicho calor, es decir, el refrigerante extrae el calor de los alimentadores pasando de líquido a vapor.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío que aprovecha las propiedades de ciertas sustancias que absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor.
Otra forma de refrigeración que tiene un atractivo económico cuando se tieneuna fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200 °C, es la refrigeración por absorción. Algunos ejemplos de fuentes de energía térmica barata incluyen la energía geotérmica, la solar, el calor residual de centrales de cogeneración o de vapor de proceso, e incluso el gas natural cuando está disponible a un precio relativamente bajo. Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por absorción son los de agua bromuro de litio y el de agua-cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante.
Los sistemas de refrigeración por absorción son mucho más costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamiento mucho más grandes para liberar el calor residual, y son más difíciles en mantenimiento dado que son poco comunes. Así, los sistemas de refrigeración por absorción deberían considerarse sólo cuando el costo unitario de la energía térmica sea bajo y se proyecte permanecer bajo en comparación con la electricidad. Los sistemas de refrigeración por absorción se utilizan principalmente en grandes instalaciones comerciales e industriales.
EL COP DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
Se define como:
El COP máximo de
un sistema de
refrigeración por
absorción se determina
suponiendo que el ciclo
completo es totalmente
reversible (es decir, el
ciclo noincluye
irreversibilidades ni ninguna transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura). El
sistema de refrigeración sería reversible si el calor de
la fuente (Qgenerador) se transfiriera a una máquina
térmica de Carnot, y la salida de trabajo de esta
máquina térmica (W = etér,revQgenerador) se
suministrara a un refrigerador de Carnot para extraer
calor de un espacio refrigerado.
Observe que QL = W COPR,rev_
etér,revQgeneradorCOPR, rev. Entonces, el COP
total de un sistema de refrigeración por absorción en condiciones reversibles es dondeTL, T0 y T son
las temperaturas termodinámicas del espacio refrigerado, el ambiente y la fuente de calor,
respectivamente.
Cualquier sistema de refrigeración por absorción que reciba calor de una fuente a Tsy extraiga calor
del espacio refrigerado a TL mientras opera en un ambiente a T0 tendrá un COP menor que aquel
determinado a partir de la ecuación 11-28.
PARTES DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
GENERADOR
El Generador es un intercambiador de calor en donde
una mezcla de refrigerante y absorbente rica en
refrigerante se calienta para evaporar gran parte del
refrigerante, el cual pasa al condensador.
CONDENSADOR DE REFRIGERANTE
El condensador es el intercambiador de calor donde el refrigerante en forma de vapor proveniente del generador, se enfría y se condensa por medio de una transferencia de calor hacia un sumidero que generalmente es aire o agua, de esta forma el calor del proceso de refrigeración es retirado del sistema.
EVAPORADOR
El evaporador es un intercambiador de calor que permite el enfriamiento o refrigeración del material que interesa refrigerar, mientras el refrigerante que proviene del dispositivo de expansión, ebulle al recibir dicho calor.
ABSORBEDOR
El Absorbedor es el equipo donde se encuentra una solución pobre capaz de absorber el vapor del refrigerante que proviene del evaporador, para convertirse en una mezcla rica en absorbente que regresa al generador.
EQUIPO DE BOMBEO
Generalmente el equipo de bombeo es una bomba que impulsa la solución rica en refrigerante desde el absorbedor hasta el generador
REFRIGERACIÓN POR OTROS SISTEMAS
Además de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor y de absorción, en ciertas
aplicaciones se utilizan otros métodos para la obtención de bajas temperaturas, estos métodos se basan en el efecto termoeléctrico o efecto Seebeck, en la termo-acústica, en el ciclo del aire (chorro de aire), del vapor (chorro de vapor), etc.
CHORRO DE VAPOR:
Producen agua fría entre 2ºC y 20ºC y tienen aplicación principalmente en procesos donde el producto a tratar se evapora directamente, como concentrados de jugos naturales o alimentos que se deterioran con el calor. En este sistema el efecto refrigerante se produce enfriando agua en el evaporador a expensas del agua evaporada a baja presión, y el incremento de la presión del vapor se logra mediante eyectores.
CHORRO DE AIRE:
Consiste en generar un chorro de aire comprimido, tangencial a una placa, a velocidades próximas a la del sonido; de esta forma se separa el flujo en dos corrientes, una interior, que se expande y enfría, y una exterior que se calienta por la disipación de calor del interior. El enfriamiento del aire interno es el que se aprovecha para refrigerar, con un rendimiento del 10% de un ciclo de compresión de
vapor comparable. Sin embargo es un sistema sencillo y seguro con aplicaciones en sistemas electrónicos principalmente.
BIBLIOGRAFÍA
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Disponible en http://www.si3ea.gov.co/Eure/6/inicio.html
CONALEP.2007. Instalación de un Sistema de Refrigeración En Línea. Consultado 30 de oct. 2014.
Formato PDF. Disponible en.
http://eva.sepyc.gob.mx:8383/greenstone3/sites/localsite/collect/bachille/i
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http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Refrigeration+and+Air+Co
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PRTR-España (Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes). S.f. Resumen general
refrigerante. En Línea. Consultado 30 de oct. 2014. Formato PDF. Disponible en
Cengel y Boles. Termodinámica. Mc Graw Hilla. 6ta edición
Moran y Shapiro. Fundamentos de Termodinámica Técnica. Reverté. 4ta. Edición
Van Wylen. Fundamentos de Termodinámica. Limusa. 2da. Edición
Algunas figuras son tomadas del libro de Cengel, otras de Moran Shapiro e Internet.
ANEXOS
FIGURA 1: COMPRESOR CON SUS PARTES – SISTEMA BÁSICOFUENTE: MANUAL TECNICO DE REFRIGERACION - 2014
FIGURA 2.3: CONDENSADOR CON LAMINILLAS DE COBREFUENTE: MANUAL TECNICO DE REFRIGERACION - 2011