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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipe

TEMA 1 - INTRODUCCIÓN MÁQUINAS FRIGORÍFICAS.

1. - INTRODUCCIÓN.Las técnicas de refrigeración han alcanzado hoy en día un desarrollo extraordinario, siendo su aplicación tan extensa, que cubre ó aparece en cualquier plano de la vida diaria de la humanidad.Así, tenemos, entre sus diversas aplicaciones:- Conservación de productos perecederos.- Fabricación de hielo.- Refrigeración y acondicionamiento de aire.- Procesos industriales diversos (industria química, textil, mecánica, etc.).- Separación de gases (por destilación de los productos a baja temperatura).- Obtención de N2, O2, H2, etc..- Tratamiento de materiales.- Criogénia (obtención de temperaturas extremadamente bajas).La refrigeración consiste en hacer que en una cámara o recinto la temperatura descienda por debajo de la temperatura del medio ambiente, y se mantenga luego a esta baja temperatura. Como ningún recinto o cámara es perfectamente adiabático, para mantener dicho recinto a esa baja temperatura, es preciso extraer calor del recinto continua o al menos intermitentemente. Esto implica normalmente el transporte de calor de un recinto a baja temperatura al medio ambiente, que se encuentra a mayor temperatura.En general, el transporte de calor se realiza mediante un fluido transportador de calor que se denomina refrigerante.Como sabemos; el calor pasa espontáneamente de un cuerpo caliente a otro frío; para poder pasar calor de un cuerpo frío a otro caliente debemos aportar o trabajo mecánico o calor del exterior, lo que nos lleva a clasificar las instalaciones frigoríficas en dos tipos, según que tipo de energía toma del exterior:

- Instalaciones frigoríficas con compresor: Son aquellas que toman trabajo mecánico del exterior.

- Instalaciones frigoríficas sin compresión: son aquellas que toman calor del exterior.Como sabemos estas instalaciones trabajan mediante ciclos termodinámicos, y se mide su rendimiento mediante dos parámetros:

CCOP(Cooling Coeficient Operate Performace) Qenfriamiento

Qcedido exterior Qenfriamiento

HCOP(Heating Coeficient Operate Performace) Qcedido exteriorQcedido exterior Qenfriamiento

- T Q/W

Q1 Q2 + T

2. - INSTALACIONES FRIGORÍFICAS POR COMPRESIÓN.

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipe2.1. - Introducción: Conceptos básicos.Este tipo de instalaciones, están constituidas, como mínimo, por:

- Un intercambiador de calor, denominado evaporador, que toma cierta cantidad de calor de una fuente fría o lugar que queremos mantener a baja temperatura.

- Un compresor, que eleva el nivel térmico del fluido refrigerante hasta la temperatura que reina en el condensador.

- Un intercambiador de calor, denominado condensador, que cede el calor, tomado en el foco frío y el calor recibido en la compresión del fluido, al exterior.

- Un dispositivo de expansión para mantener a diferentes presiones los dos intercambiadores de calor.Los modernos sistemas de refrigeración por compresión, se basan en la propiedad de los líquidos de absorber grandes cantidades de calor a medida que se produce la vaporización de los mismos.Vamos a ver este fenómeno como se produce. Imaginemos una cazuela llena de agua en fase líquida a 0 º y le añadimos calor (la ponemos al fuego). ¿Qué ocurre?.Si está destapada la presión sobre la superficie del agua siempre será la atmosférica, de aproximadamente un bar, por lo que la temperatura del agua se eleva hasta alcanzar los 100 º C (temperatura de saturación) y comienza la vaporización violenta o ebullición. Durante la vaporización la temperatura de saturación no varía.Al finalizar la vaporización, la temperatura aumenta de nuevo (vapor sobrecalentado).Si repetimos esta experiencia a una presión inferior que la atmosférica, la temperatura de saturación (ts) es menor.Si repetimos esta experiencia a una presión superior que la atmosférica, la temperatura de saturación (ts) es mayor.Por lo que podemos decir que.

ts = t(ps) ó ps = p(ts)Estos cambios de fase (paso de agua líquida a agua gaseosa o vapor), se representan en general en unos diagramas denominados de fase. Los más comunes son: el p – v, T – s, p – h, y el h – s. El usual utilizado en las técnicas frigoríficas es el diagrama p – h, y tablas de datos experimentales de vapor saturado y de vapor sobrecalentado. En las primeras aparecen los datos de las propiedades termodinámicas más comunes (h, s, p, T, v) tanto para líquido saturado como para vapor saturado. Por lo que para poder encontrar propiedades dentro de la zona bifásica necesitamos conocer la relación de masas de vapor y de líquido. Para ello utilizamos el concepto de “título”, que es la relación de masa de vapor respecto a la masa total. Cualquier propiedad termodinámica la podemos encontrar como:

Siendo “X” el título definido por:

En las máquinas frigoríficas se utilizan unos fluidos, los llamados refrigerantes, que tienen propiedades muy apropiadas para absorber grandes cantidades de calor cuando vaporizan o realizan un cambio de fase a baja temperatura.Así tenemos el R-134a, del tipo HFC, no dañino a la capa de ozono y sustituto del famoso R-12, este fluido tiene una temperatura de saturación de –26,43 ºC a la presión atmosférica standard (1,013 bar). Por esta razón puede almacenarse como líquido a temperatura ambiente si se le tiene a presión en cilindros de placa de acero gruesa, para 24ºC tiene una presión de 6,4566 bar. Reflejado en un diagrama de fases T - s:

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2.1.1. - Vaporización del refrigerante.Un espacio aislado podrá ser refrigerado, simplemente poniendo a vaporizar R-134a en el interior de un depósito ventilado hacia el exterior.

Debido a que el R-134a, está a la presión atmosférica, su temperatura de saturación será de unos -26,07 ºC aproximadamente. Al vaporizarse a esta temperatura tan baja, con facilidad absorberá calor del espacio a 30 ºC, el cual pasará a través de las paredes del depósito que lo contiene. El calor absorbido por el líquido vaporizado abandona el espacio escapándose el vapor a través del respiradero.Debido a que la temperatura del líquido permanece constante durante el proceso de vaporización, la refrigeración continuará hasta que todo el líquido sea vaporizado.Donde el refrigerante se vaporiza durante un proceso de vaporización, es llamado evaporador.2.1.2. - Control de la temperatura de vaporización.La temperatura a la cual el líquido se vaporiza en el evaporador, puede ser controlado bajo la presión del vapor que se tiene sobre el líquido, lo que a su vez permite regular la velocidad a la cual sale el vapor del evaporador. (ejemplo, colocar una válvula a la salida del evaporador)

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de FelipeAsí es posible controlar la presión del vapor que está encima del líquido y lograr que el R-134a vaporice a cualquier temperatura entre los - 26ºC y los 30ºC del espacio a enfriar.Cuando se necesite que las temperaturas de saturación sean menores que la temperatura de saturación correspondiente a la presión atmosférica, => pevaporador< patmosférica. Esto se puede obtener a través de compresores.2.1.3. - Mantenimiento de una cantidad constante de líquido en el evaporador.La vaporización continua del líquido en el evaporador requiere un suministro continuo de líquido para reemplazar al líquido evaporado y mantener constante la cantidad del mismo en el evaporador.Por lo que a la instalación debemos proveerla de un depósito de líquido, con una válvula automática (válvula de expansión o tubo capilar) que nos mantenga el nivel de líquido del evaporador constante.El líquido refrigerante que se tiene en el cilindro de almacenamiento y en la tubería de alimentación no se vaporiza porque la presión en el cilindro, es tal, que la temperatura de saturación del refrigerante es igual a la temperatura de los alrededores.

La presión alta que tiene el depósito de líquido obliga al líquido a fluir a través del tubo alimentador y de la válvula hacia el evaporador de baja presión. Durante el paso del refrigerante a través de la válvula, la presión alta del refrigerante se reduce de valor hasta la presión que reina en el evaporador. Debido a que esta presión de gas reinante es inferior a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del líquido en el recipiente, una parte del refrigerante líquido se vaporiza inmediatamente y súbitamente a gas (debido a que la nueva presión no es lo suficientemente elevada para impedir el escape de las moléculas desde su superficie). La porción de líquido que se evapora toma el calor latente necesario para su evaporación de la mezcla que fluye enfriándola de esta manera hasta la temperatura de evaporación del evaporador.2.1.4. - Recuperación del refrigerante.Por motivos convenientes y económicos, no es práctico permitir que el vapor refrigerante escape al exterior y se pierda por difusión en el aire. El vapor de continuo debe recogerse y condensarse para llevarlo al estado de fase líquida, de tal manera, que el mismo refrigerante sea de nuevo utilizado, con lo que se elimina la necesidad de suministrar al sistema un nuevo

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Feliperefrigerante. Para lograr la condensación del vapor, debe agregarse otro elemento al sistema, el cual viene a ser un condensador.La vaporización del refrigerante en el evaporador es debido a que absorbe el calor latente necesario del espacio refrigerado, por lo tanto, lo que se requiere a fin de condensar el vapor y pasarlo a la fase líquida es extraerle dicho calor latente haciéndolo fluir hacia otro cuerpo. El material del cuerpo empleado para absorber el calor latente son el aire o el agua.Para tener flujo de calor del vapor refrigerante hacia el medio condensante, la temperatura del medio condensante deberá ser menor que la del vapor refrigerante. Para ello el vapor que sale del evaporador se le aumenta su temperatura de saturación mediante compresión hasta una temperatura mayor a la del medio que absorbe el calor latente. El compresor sirve para este propósito.Así, durante la compresión se aumenta la presión del vapor hasta un punto tal que la temperatura de saturación correspondiente es mayor que la temperatura del medio condensante que va a utilizarse. Al mismo tiempo, ya que el trabajo mecánico efectuado sobre el vapor en la compresión hasta una presión alta, hace que se produzca un aumento de la energía interna del vapor con el correspondiente aumento en la temperatura del mismo.Como resultado de ello el vapor está sobrecalentado a la salida del compresor; por lo que el condensador además de disipar el calor latente de vaporización también ha de disipar el calor sensible producido por la compresión en el compresor.2.2- Ciclos de refrigeración.2.2.1. - Ciclo de refrigeración saturado simple.Este ciclo ideal es el de máxima aproximación que la técnica puede ofrecer para alcanzar el ciclo de Carnot o de máximo rendimiento.Un ciclo de refrigeración saturado simple es un ciclo teórico, con las siguientes características. Su representación en diagramas T-s y p-h es la siguiente:

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipea) Las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y las fuentes frías y caliente es infinitesimal; o sea si la temperatura del medio a enfriar y la temperatura del medio condensante son las temperaturas absolutas de los focos frío y caliente (TFF y TFC) y TE y TC son las temperaturas absolutas del refrigerante en el evaporador y condensador, se ha de cumplir que:

TE TFF dTTC TFC dT

b) La compresión es adiabática - isentrópica.c) La expansión es adiabática - isentrópica.d) No existen pérdidas de carga en tuberías y equipos que puedan afectar al fluido activo.La dificultad de lograr la condición "c", motiva que el dispositivo de expansión actúe adiabaticamente y a entalpia constante; Esto lleva al proceso representado en las figuras anteriores (proceso isentálpico).2.2.2. Relaciones y representaciones gráficas.a) Por el primer principio de la Termodinámica, siempre se cumple que en el ciclo:

Eentrantes= EsalientesQC = QE + WC

b) Por otra parte para cada elemento que forma el ciclo, lo tratamos como un sistema abierto en régimen permanente, por tanto, se cumplirá para cada elemento que:

Q Wr hWAsí en el evaporador tenemos:Como no consideramos ni el trabajo de rozamiento y en el evaporador el fluido de trabajo no produce ningún trabajo exterior, por tanto la ecuación anterior queda, expresando la producción frigorífica:

Qa h h1 h4

En forma de potencia:

Dado en kw ó w.Por el segundo principio se cumplirá que:

Qa = TE . s

1 - s

4 kJkg ó J

kgQ

a = mR

. s1 - s

4 . TE kw ó w

En el compresor se cumplirá, que:Q + Wr = h + Wc

Si es un proceso adiabático - isentrópico, reversible, es decir, la energía que damos al fluido a través del trabajo de compresión la invertimos en incrementar su energía interna solamente, no la disipamos a través de rozamientos o de calor al exterior, por lo que la expresión anterior nos queda en:

Wc= - h

Wcisentrópico

= h = h2 - h

1 kJ

kga nivel potencia:

6


W

cisentrópico

= mR

. h2 - h

1 kw ó w

Por otra parte el calor cedido en el condensador, será:Q

C + Wr = h + Wc

Si el proceso es reversible, y como es evidente no se produce ningún tipo de trabajo sobre el exterior, obtenemos que:

QC

= h = h3 - h

2A nivel potencia:

Q

C = m

R . h

3 - h

2

Cumpliéndose como en el caso del evaporador que el calor cedido es directamente proporcional al incremento de entropía que sufre el fluido, y a la temperatura a que se produce el proceso.En el dispositivo de expansión, se cumplirá el primer principio de la termodinámica, como en los demás casos, teniendo en cuenta que no se produce ningún trabajo, que el proceso es adiabático, debido a lo pequeño del elemento y a la alta velocidad del fluido, prácticamente no hay tiempo para poder transmitir o recibir calor del exterior, despreciando además el trabajo de rozamiento, obtenemos que el proceso será un proceso isentálpico, a entalpia constante, donde se cumple que:

h3 = h

4Una vez visto a nivel energético todos los elementos principales del circuito frigorífico, podemos definir su rendimiento, mediante el cociente de lo que deseamos conseguir y lo que se invierte para conseguirlo. Así en nuestro caso, lo que queremos conseguir es extraer calor de un local ó espacio, y lo invertido lo que nos cuesta dinero es el trabajo del compresor al cual se lo damos a través de un motor eléctrico o de un motor de explosión, por tanto podemos definirlo como:

.C.O.P. = Q

evaporador

Wc =

Qevaporador

Qcondensador

- Qevaporador

Llamado Cooling Coeficient Operate Performance. Existen unas máquinas frigoríficas en donde lo que nos interesa es el calor desprendido por el condensador (bombas de calor), por lo que el rendimiento para este tipo de máquina lo podremos definir como:

H.C.O.P.Qcondensador

Qcondensador QevaporadorQcondensador

WC

h2 h3

h2 h1

Llamado Heating Coeficient Operate Performance.

2.2.3. - Efecto de la temperatura de evaporación y condensación en el rendimiento del ciclo.El rendimiento del ciclo de refrigeración compresión - vapor varía considerablemente tanto con la temperatura de evaporización como con la de condensación.Así para una mayor temperatura de evaporación, teniendo fija la temperatura de condensación, aumenta el rendimiento.Por otra parte si fijamos la temperatura de evaporación y aumentamos la temperatura de condensación disminuye el rendimiento.

2.2.4. - Modificaciones introducidas en el ciclo saturado simple.

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de FelipePara asemejarlo al ciclo real, se introducen dos modificaciones al ciclo saturado simple, y estas son:a) El subenfriamiento de líquido.b) El recalentamiento del vapor.

2.2.4.1. - Subenfriamiento de líquido.Representado en los diagramas T-s y p-h:

T

s

1

2

4

3

Este efecto, cuya realización tecnológica es muy fácil de realizar, nos produce un aumento de la producción frigorífica, en la cuantía dada por la diferencia de la entalpia del punto 4 en el caso anterior y en este, y además el rendimiento del ciclo con subenfriamiento es mayor que sin él, ya que aumenta el calor del evaporador y del condensador sin aumentar el trabajo del compresor.2.2.4.2. - Recalentamiento del vapor.Esta modificación conduce a un aumento del rendimiento normalmente pequeño. El interés es tecnológico, ya que al calentarse el vapor a la salida del evaporador se asegura que el compresor trabaja sólo con vapor, sin posibilidad que le entre líquido, ya que si entrase, se produciría problemas de funcionamiento en aquel.Por otro lado, el grado de recalentamiento es uno de los procedimientos para efectuar el control de capacidad del evaporador, como veremos.2.3. - Ciclo de compresión de una sola etapa: Comportamiento real.Las irreversibilidades que provocan la desviación del comportamiento ideal son de dos tipos:a) de origen externo.b) de origen interno.a) Irreversibilidades externas:Tienen su origen en la necesidad de un gradiente finito entre las fuentes y el fluido refrigerante, lo que comportará mantener una más alta temperatura de condensación y una más baja temperatura de evaporación que sus correspondientes medios (ente los 5 a 10 ºC); con lo que comporta, que para retirar el mismo calor "QE" de un recinto, un rendimiento menor.b) Irreversibilidades interna:Se debe fundamentalmente al rozamiento del fluido a su paso por tuberías e intercambiadores. Entre ellas destacan:

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipea) Pérdidas de carga originadas en las líneas y válvulas, tanto en aspiración como en descarga.b) Pérdidas de carga en el condensador y en el evaporador.c) Irreversibilidades de la compresión, ya que la compresión no es adiabática, ni isentrópica, es un proceso politrópico. Por lo que la aparición de irreversibilidades conduce a un aumento de entropía, y el punto final de la compresión se desplaza a la derecha del punto 2.El trabajo en este caso será:

Wc realh2 h1

El trabajo ideal o isentrópico es:Wc isentróp ico h2' h1

Con lo que podemos definir, el rendimiento isentrópico como:

isentrópico

= h

2'- h

1h

2 - h

1 =

Wcisentr

Wcreal

menor que 1.

El ciclo real definitivo será:

2.3.1. – Componentes de pequeñas instalaciones frigoríficas.2.3.2. – Componentes de medias y grandes instalaciones.

2.4. - Ciclo de refrigeración por compresión multietapa. Criogénia.2.4.1. - Introducción.Para realizar enfriamientos de locales o sustancias a bajas temperaturas (temperaturas inferiores a los -25 ºC), en un principio debemos ajustar la temperatura de evaporación del refrigerante en el evaporador a temperaturas inferiores a esas.Este descenso de la temperatura de evaporación, manteniendo invariable la temperatura de condensación, => problemas en las máquinas frigoríficas, pudiendo destacar los siguientes:- Aumento de la temperatura de descarga del compresor, llegando a alcanzar temperaturas inadmisibles para los refrigerantes y aceite (provocan descomposición del aceite y refrigerante, aparición de compuestos ácidos, etc.), siendo el límite de temperatura máxima a que puede descargar un compresor de 150 a 160 ºC.- Problemas en los compresores de tipo hermético o semi-hermético, ya que al entrar al compresor vapores a muy baja temperatura, pero en muy poca cantidad (gases de baja densidad), es decir, con un bajo caudal másico, puede que no sea lo suficiente para refrigerar el motor eléctrico, y puede producir un exceso de calentamiento del motor, produciendo un funcionamiento intermitente de éste, debido a las seguridades para el caso.- Problemas de retorno del aceite al cárter, debido a que con las bajas temperaturas del evaporador. La viscosidad del aceite es grande, y dificulta su desplazamiento, añadiéndole un efecto colateral, ya que al haber menor caudal másico, este no empuja con suficiente vigor al aceite en su camino de vuelta al cárter.- Problemas de rendimiento del compresor, ya que para bombear una determinada carga frigorífica deberá realizar más revoluciones por minuto (más velocidad) debido al bajo caudal másico y la baja densidad del vapor refrigerante.- Problemas de menor rendimiento de la máquina frigorífica, por tanto menor eficiencia energética (mayor despilfarro de energía).- Problemas de acumulación de hielo en el evaporador, si éste es de refrigerante/aire.

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipe- Problemas de arranque del compresor, si no se dispone de un control de presión en la aspiración.Para evitar toda esta serie de problemas, se utilizan equipos frigoríficos de compresión de etapas múltiples.

2.4.2. - Ciclos frigoríficos de compresión multietapa.Son los ciclos frigoríficos en donde la compresión del refrigerante se realiza en varias etapas. - 1 sola etapa hasta temperaturas de evaporación de – 30 ºC- 2 etapas, - 30 ºC > tevaporación > - 60 ºC. - 3 etapas, - 60 ºC > tevaporación > - 85 ºC. - Para temperaturas inferiores existen equipos específicos que producen el enfriamiento.Existen dos tipos de equipos de compresión multietapa:- Los equipos compuestos.- Los equipos en cascada.

2.4.3. - Equipos frigoríficos de compresión compuesta.El fundamento de este sistema radica en que un mismo refrigerante se comprime en dos etapas, y generalmente se enfría el gas entre etapas. Es decir, el vapor que sale del evaporador es comprimido por un compresor hasta una presión intermedia, en donde es enviado a un dispositivo de enfriamiento, de donde sale el vapor nuevamente frío el cual es enviado a la aspiración del segundo compresor, éste le eleva la presión hasta la presión del condensador.Existen tres sistemas diferentes para enfriar el vapor entre etapas:- Mediante la inyección de líquido y vapor del refrigerante a través de una válvula de expansión.- Mediante depósito de separación de vapor saturado, que pueden ser del tipo abierto o del tipo cerrado.- Mediante un refrigerador intermedio de vapor.

2.4.3.1. - Equipo frigorífico de compresión compuesta con enfriamiento mediante inyección de líquido a través de válvula de expansión.El esquema de este equipo, es el siguiente:

EVAPORADOR CONDENSADOR

1

2

2'

1'

3

4´

4

El ciclo termodinámico es:

El funcionamiento es el siguiente:

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de FelipeUna cierta cantidad de refrigerante líquido se inyecta mediante una válvula de expansión en la línea de aspiración del segundo compresor. Como la presión reinante es inferior a la presión del condensador, se evapora repentinamente enfriando así la mezcla.Formulación básica:

En el punto de mezcla se ha de cumplir:

2.4.3.2. - Equipo frigorífico de compresión compuesta con enfriamiento mediante intercambiador de calor refrigerante - agua.

El esquema de este equipo es el siguiente:

Agua

12

CompresorCompresor

1' 2'

Cuyo ciclo termodinámico es:

El funcionamiento es el siguiente:El enfriamiento del vapor a la salida del compresor de la I etapa se realiza con un intercambiador de calor enfriado por agua.Para sistemas de refrigeración, en general el sistema no se utiliza por el gasto excesivo de agua corriente, o por el gasto de instalación si se utiliza una torre de refrigeración.

2.4.3.3. - Equipo frigorífico de compresión compuesta con enfriamiento mediante depósito de separación de vapor saturado.Existen dos tipos de características diferentes:- De tipo abierto:El esquema de la instalación es el siguiente:

11


El ciclo termodinámico producido es el siguiente:

p

h

1

24

56

74'

8

Se tiene que diseñar adecuadamente la tubería que va del separador a la segunda válvula de expansión alimentadora del evaporador, ya que al fluir líquido saturado, puede evaporarse espontáneamente.- De tipo cerrado:El esquema de la instalación es el siguiente:

12


Líquido

12

del condensador

Al evaporador

Del evaporador

Al condensado

1' 2'

3

4

4'

El ciclo termodinámico producido es el siguiente:

Este sistema es más ineficaz respecto al anterior, ya que al existir un intercambiador de calor, en el seno del depósito separador, dificulta el paso de calor.2.4.3.4. - Equipo de compresión de vapor funcionando en etapas o en cascada.Para las bajas temperaturas, el sistema de compresión de vapor puede ser bien un sistema de dos o tres etapas o un sistema en cascada.Un sistema en cascada combina dos o más unidades de compresión de vapor. El calor del condensador del sistema de baja temperatura, es cedido al evaporador del sistema de alta temperatura, esquemáticamente:

Condensador

Condensador

Evaporador alta temperatura

Evaporador baja temperatura

Como los sistemas de baja y alta temperatura se encuentran separados, pueden usar distintos refrigerantes. Los sistemas en cascada pueden refrigerar hasta unos -100 ºC.

2.4.3.5. - Sistemas de temperaturas múltiples.Un sistema de temperaturas múltiples es un sistema de refrigeración que tiene dos o más "bajas temperaturas".

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de FelipeSe utiliza cuando necesitamos en un local, tener dos temperaturas de evaporación diferentes; así en una heladería, se necesita una cámara a - 35ºC, para endurecer los helados, y una cámara a 1ºC para enfriar las leches que se utiliza para la elaboración de helados.Los sistemas más comúnmente utilizados son:

- Dos evaporadores y un compresor.- Dos evaporadores y dos compresores.Vamos a analizar ambos sistemas seguidamente:- Dos evaporadores y un compresor:El esquema de la instalación es el siguiente:

En este equipo se utilizan válvulas de expansión individual para cada evaporador.A la salida del evaporador de más alta temperatura se coloca una válvula reguladora de presión para mantener la presión adecuada dentro del evaporador.Por otra parte el compresor mantiene la presión en la línea de aspiración correspondiente al evaporador de baja temperatura.En la tubería de salida del evaporador de baja temperatura se coloca una válvula de retención con la misión de impedir en cualquier condición de funcionamiento que el vapor que sale a alta presión del evaporador de alta temperatura llene el evaporador de baja temperatura.La potencia frigorífica debe ajustarse, para que cada evaporador trabaje con más o menos la mitad de la potencia frigorífica total de la máquina, ya que si no es así, y tenemos más potencia frigorífica en el evaporador de alta; el de baja no funcionaría hasta que el compresor hubiera bajado la presión de la línea de aspiración por debajo de la que reina en el evaporador de baja presión para poder abrir la válvula de retención.Es un sistema que desperdicia energía, y sólo resulta atractivo, cuando son de un mismo rango las temperaturas de los diferentes evaporadores.- Dos evaporadores y dos compresores:El esquema de la instalación es el siguiente:

Evaporador Baja T

EvaporadorAlta T

Separador vapor

Condensador

En este tipo de equipo se utilizan evaporadores de alta y baja temperatura, controlados por separado.La descarga del evaporador de alta temperatura pasa a la aspiración del compresor de alta y la descarga del evaporador de baja temperatura pasa a la aspiración del compresor de baja.También se realiza subenfriamiento de líquido y enfriamiento de vapor con el dispositivo de separación de vapor saturado de tipo cerrado, que es el más comúnmente utilizado.

2.4.2. - Criogénia.

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de FelipeNosotros llamamos producción de bajas temperaturas a las temperaturas inferiores a los -45 ºC.La ciencia de las bajas temperaturas se llama criogénica. Muchas actividades tales como tratamiento en frío de metales, la licuefacción y separación de gases, y los ensayos de resistencia al medio ambiente requieren bajas temperaturas.Tres tipos generales de instalaciones o proceso se estudiaran en este capítulo:1- Producción de gases licuados a baja temperatura.2- Producción de anhídrido carbónico sólido.3- Enfriamiento magnético.2.4.2.1. - Producción de gases licuados a baja temperatura.Tenemos dos sistemas:- El sistema Linde.- El sistema Claude.Sistema Linde:Es el más simple de los sistemas para licuar aire, pero al no ser el de mayor rendimiento, sólo se utiliza en pequeñas instalaciones.Un esquema del mismo es el siguiente:

Compresor

1

2

1 bar, 37,8´C

ENFRIADOR

Agua enfriamiento

Intercambiador

3

64

5

7

8

210 bar 37,8ºC

Valvula expansión

SEPARADOR

El sistema consta de compresor, enfriador, intercambiador y separador.El compresor aspira aire y lo comprime a varios cientos de bares, y lo hace pasar a un enfriador en donde se elimina el calor de compresión. Después el aire a alta presión circula por el intercambiador de calor, donde baja su temperatura, y pasa a la válvula de expansión, donde el aire se expande hasta la presión atmosférica. Cierta cantidad de aire líquido que se forma durante la expansión, se separa en el separador.Representado en un diagrama T-s:

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T

s

8 65

1,7

2

3

4

Sistema Claude:Un gas que realice un trabajo externo al expandirse, experimenta una caída de temperatura mayor que si se expande en una válvula de estrangulamiento. El sistema Claude de licuefacción de aire utiliza este procedimiento y logra un mayor rendimiento que el sistema Linde.

Compresor

1

1 bar, 37,8´C

ENFRIADORAgua enfriamiento

65

SEPARADOR7

89

10

11

34

2

Expansionador

Se toma cierta masa de aire en el punto 3 y se expande en una máquina. El gas a baja temperatura en el punto 11 se mezcla con vapor que llega del separador, aumentando así el caudal en el punto 9. Por lo tanto la temperatura del aire antes de la válvula de expansión puede mantenerse más baja en este sistema que en el sistema Linde.2.4.2.2. - Producción de anhídrido carbónico sólido. Se utilizan equipos parecidos a los utilizados en las máquinas frigoríficas convencionales; así, esquemáticamente:

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SEPARADOR

CONDENSADOR

Hielo secoEn el diagrama p-h:

Sólido vapor

líquido vapor

51

7

23

p

h

5,3 bar

75,5 bar

1 bar

2.4.2.3. - Enfriamiento magnético.Las temperaturas más bajas alcanzadas hasta la fecha se han conseguido por enfriamiento magnético, para ello se aprovechan las propiedades magnéticas de las sustancias. Si son sustancias paramagnéticas (atraídas por los imanes), se enfrían manteniendo las moléculas bajo un campo magnético, por lo que se encuentran alineadas, una vez alcanzado la mínima temperatura, cesa el campo magnético y las moléculas se desorganizan y para ello toman la energía de ellas mismas haciendo que descienda más la temperatura, nuevamente.

3. - INSTALACIONES FRIGORÍFICAS SIN COMPRESIÓN.3.2. - Introducción.En este tipo de instalaciones, en lugar de adicionar al refrigerante W, se le adiciona calor, dentro de este grupo de instalaciones, tenemos dos tipos fundamentales:- Instalaciones de vapor de agua con eyector.

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipe- Instalaciones por absorción.3.3. - Instalaciones frigoríficas de vapor de agua con eyector.Esta instalación es análoga, a una instalación con compresor, ya que consta de:- Un evaporador, instalado en el recinto frigorífico, donde absorbe el calor "Qa".- Un condensador, donde se cede al exterior un calor "Qc".- Una válvula de expansión, donde se produce una caída de presión isentálpica.- Eyector, caldera y bomba; que realizan la función del compresor, en una instalación por compresión.Con este sistema, hoy en día aplicado exclusivamente al aire acondicionado, se logran alcanzar temperaturas de refrigeración del orden 3 a 10ºC.El eyector es una máquina de rendimiento muy bajo, que consta de una tobera, donde se expansiona el vapor seco proveniente de la caldera, hasta presiones de 7 a 12 mbar, en un proceso termodinámico en donde se transforma la energía en forma de entalpia en energía cinética. Debido a esta caída de presión crea un vacío en la cámara de mezcla (ver esquema adjunto), en donde fluye del evaporador, el vapor saturado seco proveniente de la evaporación, se mezclan las dos corrientes de vapor y pasan a un difusor en donde se produce una compresión (transformación de la energía cinética en entalpia).

Difusor

Del evaporador

Tobera

De la caldera

CAMARA DE MEZCLA

El esquema de la instalación es el siguiente:

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1

2

m

6

7

5

3

4Caldera

Qca

Eyector

Condensador

Qc

Qa

Bomba

Evaporador

Válvu. Exp.

Esta instalación realiza dos ciclos termodinámicos, uno correspondiente propiamente a la instalación frigorífica, y otra a la caldera. Funciona de la siguiente manera:- Después de expansionarse en la válvula de expansión el vapor de agua a baja temperatura (con bajo título), se evapora gracias al calor "Qa" sustraído al recinto frigorífico, pasando al estado 1 en forma de vapor de agua saturado seco.- Este vapor se mezcla con el vapor producido en la caldera, en la cámara de mezcla del eyector, después de que este haya expansionado en la tobera del eyector (proceso 6-7); el estado termodinámico de la mezcla es "M". Una vez mezclado los dos flujos pasan al difusor donde aumenta la presión, hasta la presión del condensador.Ambos caudales de vapor pasan al condensador donde sé licúan (estado líquido saturado correspondiente a la presión del condensador); al licuarse cede calor al exterior igual a "Qc"; una vez condensado el vapor, la mayor parte del caudal de agua pasa por la válvula de expansión, donde expansiona isentalpicamente hasta la presión del evaporador, saliendo vapor húmedo con bajo título; la otra parte de agua líquida es aspirada por una bomba que aumenta la presión hasta la presión de la caldera (normalmente sobre 10 bar), en donde recibe calor "Qca" y se evapora totalmente obteniéndose en el punto 6 vapor saturado seco, que se dirige a la tobera del eyector.Representado en un diagrama T-s:

19


1

2

65

3

47 M

T

sEl CCOP se definiría como:

CCOPQa

Qca WBOMBA

Donde:- "Qa" es el calor sustraído al recinto frigorífico.- "Qca" es el calor suministrado por la caldera.- "WBOMBA" es el trabajo suministrado a la bomba de alimentación de la caldera.Expresando los calores en función de las entalpías y caudales másicos de vapor:

CCOP = m

1 . h

1 - h

h6 - h

5 . m2 + h

5 - h

3 . m2 = h

1 - h . m

1

h6 - h

3 . m2

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3.4. - Instalaciones frigoríficas de absorción.Este tipo de instalaciones se fundamenta en el efecto químico de absorción de gases; existen varios sistemas, los más conocidos son:- Sistema de absorción amoniaco (NH3) - Agua (H2O).- Sistema de absorción Agua - Bromuro de Litio.- Sistema de absorción Cloruro metileno - Glicol tetraetilínenico.El funcionamiento de estos sistemas es semejante, explicaremos el funcionamiento para un sistema de amoniaco - agua:La instalación está compuesta por una serie de intercambiadores de calor y de recipientes, que son: el condensador, el evaporador, absorbedor, generador, regenerador o aprovechador de calor residual.En el condensador, el NH3 se transforma en líquido, a la salida se expansiona en una serie de válvulas de expansión (rociadores), y se evapora en el evaporador instalado en el recinto frigorífico, donde toma un calor "Qa", de allí el vapor de NH3 pasa al absorbedor donde entra en contacto con una solución pobre de amoniaco en agua, mezclandose y transformándose en solución rica. El proceso de la solución en el absorbedor se realiza con refrigeración exterior, pues de lo contrario la temperatura aumentaría en dicho proceso y disminuiría la solubilidad, factor negativo para la máquina. En el generador gracias al calor exterior suministrado, se realiza el proceso contrario: el amoniaco se evapora y se desprende

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Laboratori de Mecànica de Fluids i Motors Tèrmics. E.U.P.M.Departament de Màquines i Motors Tèrmics. U.P.C.Enginyeria TèrmicaProf. J.J. de Felipeen la parte superior de donde pasa al condensador, mientras que la mezcla pobre fluye al absorbedor, donde se repite el proceso de mezcla.El trabajo de la bomba, que se realiza en fase líquida es tan pequeño, que puede prácticamente despreciarse.El intercambiador de calor o regenerador, calienta la solución rica impulsada por la bomba al generador, reduciendo el calor aportado al fluido desde el exterior en el mismo, a expensas de un enfriamiento de la solución pobre que se dirige al absorbedor.El esquema de la instalación es el siguiente:

En este tipo de instalación se cumple que:Q

aG + Qa - QcC

- QcA

= W1E

Siendo:- "QaG", calor adicionado al fluido en el generador. Este es el calor gastado en la explotación de la planta de refrigeración.- "QaE", calor adicionado al fluido en el evaporador instalado en el recinto frigorífico.- "QcC", calor cedido por el fluido en el condensador.- "QcA", calor cedido por el fluido en el absorbedor.- "W1", trabajo de la bomba.El CCOP se define en este tipo de plantas como:

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