ciclo de refrigeracion

UNIDAD II

El Ciclo de Refrigeración

Tecsup Virtu@l Indice

Indice

Unidad II: “El Ciclo de Refrigeración”

1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 12. DIAGRAMAS PRESIÓN - ENTALPÍA............................................................................. 13. PROCESOS DE REFRIGERACIóN................................................................................. 5

3.1. COEFICIENTE DE COMPORTAMIENTO ............................................................... 73.2. EFECTO SOBRE LA CAPACIDAD......................................................................... 8

4. CICLO COMBINADO DE REFRIGERACIÓN CON 2 EVAPORADORES ..............................135. SÍMBOLOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.......................................156. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS...........................................................................................19

Tecsup Virtu@l Refrigeración Industrial

Pag. 1 Unidad II

UNIDAD II

EL CICLO DE REFRIGERACIÓN

1. INTRODUCCIÓN

Los componentes descritos en la unidad I no podrían realizar ningún proceso sin laaplicación de algún ciclo termodinámico que logre el frío en alguna de sus etapas. Este ciclotermodinámico es el ciclo Rankine invertido, que es la base para el ciclo básico derefrigeración que hace un (fluido) refrigerante al pasar por cada componente principal. Laforma más fácil de comprender este comportamiento del refrigerante es el estudio de losprocesos en los que interviene en el Diagrama de Mollier, en el cual puede verse como una“radiografía” todos los estados energéticos por los que pasa. Asimismo cualquier variaciónde parámetros, tanto en operación normal o anormal del sistema, pueden visualizarse entoda su amplitud si sabemos “leer” el diagrama de Mollier.

2. DIAGRAMAS PRESIÓN - ENTALPÍA

La figura 2.1 muestra un diagrama de flujo esquemático de un ciclo básico en refrigeración,denotando cambios de fase o proceso. Primero, el refrigerante pasa del estado líquido alestado de vapor cuando absorbe calor en el serpentín evaporador. La etapa de compresión,donde el vapor refrigerante incrementa su presión y temperatura, es la siguiente: elrefrigerante cede su calor en el condensador al medio enfriante del ambiente y el vaporrefrigerante se condensa a líquido en donde está listo para ser usado de nuevo en el ciclo.

Figura 2.1 Diagrama esquemático del ciclo de refrigeración.


Pag. 2 Unidad II

La figura 2.2 es una reproducción de un diagrama de Moliere (comúnmente conocido comouna carta P-h) del refrigerante 12, la cual muestra las características de presión, calor ytemperatura de este refrigerante. Los diagramas presión entalpía pueden utilizarse paragraficar el ciclo mostrado en la figura 2.1, pero una carta básica o esqueleto como lamostrada en la figura 2.3 puede utilizarse como una ilustración preliminar de las varias fasesdel circuito refrigerante.

Hay tres áreas básicas en la carta, que denotan cambios en estado entre la línea de líquidosaturado y la línea de vapor saturado en el centro de la carta.

El área a la izquierda de la línea de líquido saturado, es el área subenfriada, donde elrefrigerante líquido ha sido enfriado por debajo de la temperatura correspondiente a supresión, mientras que el área a la derecha de la línea de vapor saturado, es el área desobrecalentamiento, donde el vapor refrigerante ha sido calentado más allá de latemperatura de vaporización correspondiente a su presión.

La construcción del diagrama o más bien un conocimiento y entendimiento del mismo puedetraer una interpretación más clara de lo que sucede al refrigerante en sus varias etapasdentro del ciclo de refrigeración. Si el estado y dos propiedades del refrigerante sonconocidas y si este punto puede localizarse en la carta, las otras propiedades pueden leersefácilmente en la misma.


Pag. 3 Unidad II

Figura 2.2 Diagrama de Moliere.


Pag. 4 Unidad II

Si el punto se sitúa en cualquier parte entre las líneas de líquido y vapor saturado, elrefrigerante estará en la forma de una mezcla de líquido y vapor. Si su localización está máscerca a la línea de líquido saturado la mezcla tendrá más líquido que vapor y un puntolocalizado en el centro del área para una presión en particular, indicará una situación de50% líquido, 50% vapor.

Refiriéndose a la figura 2.3, los cambios en estado de vapor a líquido en el proceso decondensación ocurren cuando el camino del ciclo va de derecha a izquierda; mientras elcambio en estado de líquido a vapor el proceso de evaporación va de izquierda a derecha.La presión absoluta se indica sobre el eje vertical a la izquierda y el eje horizontal indica elcontenido de calor o entalpía en Kcal/Kg.

La distancia entre las dos líneas saturadas a una presión dada, como se indica sobre la líneade contenido de calor, es el calor latente de vaporización del refrigerante a una presiónabsoluta dada. La distancia entre las dos líneas de saturación no es la misma para todas laspresiones, porque no siguen curvas paralelas. Por consiguiente hay variaciones en el calorlatente de vaporización del refrigerante, dependiendo de la presión absoluta. Hay tambiénvariaciones en las cartas de presión-entalpía de diferentes refrigerantes y las variacionesdependen de las distintas propiedades del refrigerante individual.

Figura 2.3 Entalpía (Kcal/Kg).


Pag. 5 Unidad II

3. PROCESOS DE REFRIGERACIÓN

Teniendo como base el ejemplo presentado antes, se asumirá que no hay cambio en latemperatura del líquido refrigerante condensado después de que sale del condensador y vaa través de la línea de líquido en su camino a la expansión o aparato de medición, o en latemperatura del vapor refrigerante después de que sale del evaporador y pasa a través dela tubería de succión al compresor.

La figura 2.4 muestra las fases del ciclo saturado simple, con rótulos apropiados depresiones, temperaturas y contenidos de calor o entalpía. Un punto de partida debeescogerse en el ciclo refrigerante; permítase que sea A, sobre la línea de líquido saturado,donde todo el vapor a 50 °C se ha condensado a líquido a 50 °C y se halla a la entrada delaparato de medición. Lo que ocurre entre los puntos A y B es el proceso de expansióncuando el refrigerante pasa a través del dispositivo de expansión y la temperatura delrefrigerante se baja de la temperatura de condensación 50 °C, a la temperatura deevaporación –10 °C.

Cuando la línea vertical A - B (el proceso de expansión) se extiende hacia abajo al ejehorizontal, aparece una lectura de 112 Kcal/Kg, que es el contenido de calor del líquido a 50°C. A la izquierda del punto B en la línea de líquido saturado está el punto Z, el cual se hallatambién a la temperatura de –10 °C. Tomando un camino vertical hacia abajo del punto Z,se halla una lectura de 97,5 kcal/Kg, que es el contenido de calor del líquido a -10 °C.

La línea horizontal entre los puntos B y C indican el proceso de vaporización en elevaporador, donde el líquido a –10 °C absorbe suficiente calor para vaporizarsecompletamente y está listo para el proceso de compresión. Una línea dibujada verticalmentehacia abajo hasta encontrar la línea de entalpía, indica que el contenido de calor mostradoen hc, es 135,5 Kcal/kg y la diferencia entre ha y hc es 23,5 Kcal/Kg que es el efecto refrige-rante del ejemplo previo.

La diferencia entre los puntos hz y hc sobre la línea de entalpía es 38 Kcal/Kg que es el calorlatente de vaporización de 1 Kg de R-12 a –10 °C. Esta cantidad también sería el efectorefrigerante, pero algo del refrigerante a 50 °C debe evaporar o vaporizar para que laporción restante de cada libra de R- 12 pueda bajar su temperatura de 50 °C a –10 °C.

Figura 2.4

P abs (Kg/cm2)

h (Kcal/Kg)

pres

ión

entalpía

12,3

2,2

97,5 112 135,5 141 143

50°C

-10°C

temp.condensación

temp.evaporació

A

B C

D

EfectoRefrigerante Neto

hc - haERN= 135,5-

ERN= 23,5 Kcal/Kg

hd - hctrabajo de

compresión= 143 -135,5= 7,5 Kcal/kg

hd - hesobrecalentamiento

= 143 - 141= 2 Kcal/KgE


Pag. 6 Unidad II

La carta de Moliere grafica la línea de entropía constante, la cual permanece igual cuando elvapor se comprime y no se añade ni se libera calor al exterior. Cuando la entropía esconstante el proceso se denomina adiabático, lo cual significa que el gas cambia sucondición sin la absorción o liberación de calor, bien sea desde o hacia un cuerpo o fuenteexterna. Es práctica común, en el estudio de ciclos de refrigeración, dibujar la línea decompresión, a lo largo de una línea de entropía constante o paralela a ella.

En la figura 2.3, la línea C -D denota el proceso de compresión, en el cual la presión y latemperatura del vapor se incrementa de la del evaporador a la del condensador, con lasuposición de que no hay ganancia de calor en la línea de succión entre el evaporador y elcompresor. Para una temperatura de condensación de 50 °C, un manómetro leeráaproximadamente 11,3 Kg/cm2; pero el diagrama P-h está en presiones absolutas y lapresión atmosférica de 1 bar ≈ 1 Kg/cm2 aprox. debe añadirse a la presión manométricapara obtener 12,3 Kg/cm2.

El punto D sobre la línea de presión absoluta de condensación a 50 °C; no está sobre lalínea de vapor saturado, sino a la derecha en el área de sobrecalentamiento en laintersección de la línea de 12,3 Kg/cm2 y la línea de entropía constante a –10 °C (línea C-D)punto cuya temperatura de aproximadamente da aproximadamente 64 °C. Una línea verticaldesde D intercepta la línea de contenido de calor en 143 Kcal/Kg la cual es hd, la diferenciaentre hc, y hd es 7,5 Kcal/kg de calor de compresión que ha sido añadido al vapor. Estacantidad de calor es la energía equivalente al trabajo efectuado durante el ciclo derefrigeración por compresión. Esta es la temperatura teórica de descarga, asumiendo queentra vapor saturado. En la operación real la temperatura de descarga puede ser 10 a 15°C mayor que la predicha teóricamente. Esto puede verificarse en un sistema en operacióncolocando un termómetro o termopar a la salida de la válvula de servicio de descarga sobreel compresor.

Durante el proceso de compresión, el calor absorbido por el vapor es el resultado de lafricción causada por la acción de los pistones en los cilindros y por el vapor mismo al pasar através de las pequeñas aperturas de las válvulas internas de succión y descarga. Porsupuesto el vapor también se calienta por la acción de sus moléculas que son comprimidas,lo cual se llama comúnmente calor de compresión.

Algo de este calor adicional se pierde a través de las paredes del compresor. La cantidad,por supuesto, depende del diseño del compresor, las condiciones bajo las cuales debeoperar y el balance entre la pérdida y la ganancia de calor para mantener el refrigerante aentropía constante.

La línea D-E denota el sobrecalentamiento que debe retirarse del vapor antes de que éstepueda comenzar el proceso de condensación. Una línea dibujada verticalmente hacia abajodel punto E hasta he,. sobre la línea de contenido de calor indica una distancia hd - he , de 2Kcal/Kg, debido a que el contenido de calor de vapor a 50 °C es 141 Kcal/Kg. Estesobrecalentamiento es usualmente removido en la línea de descarga de gas caliente o en laporción superior del condensador. Durante este proceso la temperatura del vapor se baja atemperatura de condensación.


Pag. 7 Unidad II

La línea E-A representa el proceso de condensación que se realiza en el condensador. En elpunto E el refrigerante es un vapor saturado a una temperatura de condensación de 50 °C yuna presión absoluta de 12,3 Kg/cm2; la misma temperatura y presión prevalecen en elpunto A, pero el refrigerante está ahora en estado líquido. En cualquier otro punto sobre lalínea E--A el refrigerante está en la fase de una combinación líquido-vapor: más cerca alpunto A, mayor cantidad de refrigerante se ha condensado al estado líquido. En el punto Atodo Kilogramo de refrigerante está listo para realizar nuevamente el ciclo de refrigeracióncuando se requiera, para remover calor de la carga en el evaporador.

3.1. COEFICIENTE DE COMPORTAMIENTO

Dos factores mencionados antes son de gran importancia en la decisión de cuálrefrigerante debe usarse para un proyecto dado de remoción de calor. Esta decisiónse alcanza ordinariamente durante el aspecto de diseño del sistema de refrigeración yaire acondicionado, pero se explicará brevemente ahora.

Los dos factores que determinar el coeficiente de comportamiento (CoC) de unrefrigerante son: el efecto refrigerante y el calor de compresión. La ecuación puedeescribirse así:

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

El flujo de refrigerante a circular se puede determinar de la siguiente manera (portonelada de refrigeración):

El CoC es por consiguiente una medida de la eficiencia de un ciclo de refrigeración enla utilización de la energía que se gasta en el proceso de compresión, con relación a laenergía que es absorbida en el proceso de evaporación.

Como puede verse de la ecuación anterior, a menor energía gastada en el proceso decompresión, mayor será el CoC del sistema de refrigeración. Por consiguiente, elrefrigerante que tenga el mayor CoC, será probablemente el seleccionado suponiendoque las otras cualidades y factores son iguales.

Calor de compresiónEfecto refrigerante=CoC

91.552.834.50

h-hha-h

cd

c ===CoC

min/Kg15,2hr/Kg7,1285,27

3024CoC ====ERN3024


Pag. 8 Unidad II

3.2. EFECTO SOBRE LA CAPACIDAD

Los diagramas de presión y entalpía de las figuras 2.4 y 2.5 muestran unacomparación de dos ciclos saturados simples que tienen diferentes temperaturas deevaporación para relevar varias diferencias en otros aspectos del ciclo. Para quepueda hacerse una comparación aproximada en base a cálculos matemáticos, losciclos mostrados en las figuras 2.4 y 2.5 tendrán la misma temperatura decondensación, pero la temperatura de evaporación se bajará a –20 °C en la figura2.5. Los datos pueden obtenerse o verificarse en la tabla para R-12, pero se tomarálos valores A, B, C, D y E de la figura 2.5 para compararlo con los de la figura 2.4 (con–10 °C en el evaporador). El efecto refrigerante, el calor de compresión y el calordisipado en el condensador serán comparados en cada uno de los ciclos. Lacomparación se basará en los datos de contenido de calor o entalpía en Kcal/Kg.

Figura 2.5

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

• Efecto refrigerante neto ( hc' - ha ) = 22 Kcal/kg• Calor de comprensión ( hd' - hc' ) = 10 Kcal/kg

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

P abs (Kg/cm2)

h )

pres

ión

abso

luta

entalpía

12,3

1,5

96 112 134 141 144

50°C

-20 °C

temp.condensació

temp.evaporació

A

B C

D


hc - haERN= 134 -112

ERN= 22 Kcal/Kg

hd - hctrabajo de

compresión= 144 -134

= 10 Kcal/kg

hd - hesobrecalentamiento

= 144 - 141= 3 Kcal/KgE


Pag. 9 Unidad II

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

Kg/KcalERNhr/Kcal3024W =

Kg/Kcal22hr/Kcal3024W =

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

Esto, por supuesto, requerirá bien sea un compresor mayor o el mismo trabajando amayor rpm.

La figura 2.6 muestra el ciclo original con temperatura de evaporación de -10 °C, perola temperatura de condensación se ha incrementado a 70 °C.

Figura 2.6

De nuevo, tomando los datos específicos de entalpía, se encontrará para el ciclo con70 °C de temperatura de condensación que ha = 117,5; hc = 135,5; hd. = 145; y he= 142 Kcal/Kg.

Efecto refrigerante neto (hc - ha ) = 18 Kcal/KgCalor de compresión (hd - hc) = 9,5 Kcal/KgSobrecalentamiento en el condensador (hd - he ) = 3 Kcal/Kg

En comparación con el ciclo que tiene 50 °C de temperatura de condensación, puedecalcularse que, al permitir que la temperatura del proceso de compresión seincremente en 20 °C, hay un decrecimiento en el E.R.N. del 923,4%, un incrementodel calor de compresión del 16,2%.

P abs(Kg/cm2)

pres

ión

entalpía

19

2,2

97,5 117,5 135,5 142 145

70°C

-10 °C

temp.condensación

temp.evaporación

A

B C

D


hc - haERN= 135,5 -ERN= 18

hd - hctrabajo de

compresión= 145 -135,5= 9,5 Kcal/kg

hd - hesobrecalentamient

= 145 - 142= 3 Kcal/KgE

h (Kcal/Kg)


Pag. 10 Unidad II

Con una temperatura de evaporación de 40 °C y una temperatura de condensación de70 °C, el flujo másico de refrigerante que se debe hacer circular será de W =3024/18= 168 Kg/hr = 2,8 Kg/min/ton. Esto indica que aproximadamente 21,7 % más derefrigerante debe hacerse circular para realizar la misma cantidad de trabajo que sehacía cuando la temperatura de condensación era de 50 °C.

Ambos ejemplos muestran que para mejor eficiencia del sistema, la temperatura desucción debe ser tan alta como sea posible y la temperatura de condensación tanbaja como sea factible. Por supuesto, hay limitaciones con respecto a los extremosbajo los cuales los sistemas pueden operar satisfactoriamente y deben considerarseotros medios de incrementar la eficiencia. La economía del equipo (costo máscomportamiento en operación) determina en última instancia el rango factible.

En referencia a la figura 2.7, después de que el proceso de condensación ha sidocompletado y todo el vapor refrigerante a 120 °C está en estado líquido, si el líquidopuede subenfriarse al punto A' sobre la línea de 70 °C (un diferencial de 20 °C) elE.R.N. (hc - hd,) se incrementará en 5,5 Kcal/Kg. Este incremento en la cantidad decalor absorbido en el evaporador sin un incremento en el calor de compresiónincrementará el CoC de ciclo, ya que no hay incremento en el consumo de energía delcompresor.

Figura 2.7

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

P abs (Kg/cm2)

h (Kcal/Kg)

pres

ión

abso

luta

entalpí

112 117,5 135,5

70°C temp.condensació

temp.evaporación

A

B C

D

ERN

E

50°CA´

B´

subenfriamiento

5,5


Pag. 11 Unidad II

Otro medio de subenfriar el líquido es mediante un intercambiador de calor entre laslíneas de líquido y succión, en donde el calor del líquido puede trasferirse al vapor enla succión, más frío, que viaja del evaporador al compresor. Este intercambiador decalor se muestra en la figura 2.8, el cual es un diagrama de un ciclo de refrigeraciónque une un intercambiador de calor líquido succión. En verdad, el calor no puederetirarse del líquido y luego añadirse al vapor de succión sin un detrimento de laeficiencia total del ciclo de refrigeración, por ejemplo, el vapor será sobrecaientado, locual a su vez incrementará el volumen específico de cada libra de vapor refrigerante yconsecuentemente producirá un descenso en la densidad. Así, cualquier ventaja desubenfriamiento en un ciclo saturado sería negada, pero en un ciclo real, las condi-ciones de un ciclo saturado simple no existen.

En cualquier ciclo operando normalmente, el vapor en la succión no llega alcompresor en una condición saturada. Se produce un sobrecalentamiento en el vapordespués de que el proceso de evaporación ha sido completado en el evaporador y/oen la línea de succión, tan bien como en el compresor. Si este sobrecalentamiento seproduce sólo en el evaporador, se está haciendo enfriamiento útil porque se estáremoviendo calor de la carga o producto, en adición al calor que fue retirado duranteel proceso de evaporación. Pero si el vapor se sobrecalienta en la línea de succiónlocalizada en el exterior del espacio acondicionado, no se realiza enfriamiento útil;más aún, éste es el que se efectúa en la mayoría si no en todos los sistemas derefrigeración.


Pag. 12 Unidad II

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

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


Pag. 13 Unidad II

Si algo o la mayoría de estos 10 °C de incremento en el vapor, fueron el resultado decalor absorbido del líquido refrigerante, se estaría haciendo enfriamiento útil, ya queel subenfriamiento del líquido resultaría en un efecto refrigerante mayor que cuandoel refrigerante alcanza el dispositivo de expansión sin subenfriamiento. Es posiblealcanzar un balance aproximado entre la cantidad de calor en Kcal/Kg retirado porsubenfriamiento del líquido y la cantidad de calor añadido al vapor refrigerante en latubería de succión sin el intercambiador de calor.

4. CICLO COMBINADO DE REFRIGERACIÓN CON 2 EVAPORADORES

Este ciclo de refrigeración es una variante muy utilizada en la industria pues permite:

a) Utilizar 2 evaporadores en un misma cámara con distinta ubicación.b) Utilizar el mismo sistema de refrigeración para enfriar 2 cámaras de la misma

temperatura.c) Utilizar el mismo sistema de refrigeración para enfriar 2 cámaras de diferente

temperatura.

El esquema de la disposición es como sigue:

1

23

4 5

67 8

40°c

10°c

-10°c

Figura 2.9 Ciclo combinado con 2 evaporadores.


Pag. 14 Unidad II

Figura 2.10 Esquema del sistema de refrigeración con 2 compresores.

Como se verá en el sistema, cada evaporador está independizado por un conjuntotermostato-solenoide que al sensar la temperatura de trabajo cierra el paso de refrigerantehacia él. Nótese que mientras que alguna de las cámaras todavía no llega a su temperaturade trabajo, el sistema permanecerá operando. Si en algún momento cuando las dos cámaraslleguen a su temperatura de trabajo, se cerrarán los 2 solenoides impidiendo el paso derefrigerante al compresor; luego éste creará una mayor presión de vacío que permitirárecién actuar al presostato para que detenga la marcha del compresor.

Se nota también un juego de válvulas a la salida de cada evaporador. La check es unaválvula que no permite la entrada de refrigerante del evaporador de mayor presión hacia elde menor presión, mientras que la válvula reguladora de presión de evaporación controlaque el evaporador de alta presión mantenga una presión uniforme.

condensado

evaporador

evaporador (-

COMPRESOR

VET

VET1

2

3

4

7

56

8

S

SCHECK

VALV. REGUL. PRESION DEEVAPOR

T

T

PRESOST


Pag. 15 Unidad II

5. SÍMBOLOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

Los símbolos utilizados en sistemas de refrigeración se relacionan con los símbolos utilizadosen electricidad. A continuación tenemos algunos de ellos:


Pag. 16 Unidad II


Pag. 17 Unidad II


Pag. 18 Unidad II


Pag. 19 Unidad II

6. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS


Pag. 20 Unidad II


Pag. 21 Unidad II


Pag. 22 Unidad II


Pag. 23 Unidad II

FIN DE LA UNIDAD

ciclo de refrigeracion

Documents