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Sistemas de refrigeración 2015

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SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR

1. JUSTIFICACIÓN

El estudio del sistema de refrigeración tiene gran aplicación en la industria por tal

motivo es de suma importancia porque nos ayudara como funciona el sistema,

cuales son las características.

2. INTRODUCCIÓN

La refrigeración es mantener una sustancia o un cuerpo por debajo de la

temperatura ambiente, poniéndola en contacto de forma directa o indirecta con

otra que se encuentre por debajo de la temperatura a la que deseamos mantener

la sustancia.

En las primicias de los sistemas de refrigeración mecánica, los equipos para

producirla ocupaban grandes espacios, eran costosos, de alto consumo

energético, de baja eficiencia y necesitaban servicio técnico continuo por lo que su

aplicación se veía limitada solamente para industrias para las cuales la

refrigeración era imprescindible, tales como plantas productoras de hielo,

empacadoras de cárnicos, etc.

En la actualidad debido al avance tecnológico que ha desarrollado la humanidad,

la refrigeración ha sido beneficiada, convirtiéndose en sistemas más eficientes de

menor volumen y costo por lo que su campo de aplicación se ha extendido

considerablemente; a continuación describimos algunas de las más importantes:

Refrigeración comercial: abarca todo lo que concierne a instalaciones frigoríficas

para locales comerciales como hoteles, restaurantes, supermercados que se

dedican a la venta o almacenamiento de productos perecibles.

Refrigeración industrial: como su nombre lo indica estos sistemas de refrigeración

son utilizados en procesos de manufactura, se distinguen por ser de tamaño

considerable y requieren asistencia técnica permanente.

Conservación de alimentos: es la aplicación más importante que se le da a la

refrigeración, por el incremento de la población y su requerimiento de alimento. En

la mayoría de casos estos alimentos son producidos y procesados en zonas

alejadas de la ciudad, por lo que es necesario conservar las características de los

productos durante su traslado, distribución y venta.

Refrigeración doméstica: comprende lo referente a refrigeradores y congeladores

de baja potencia que varían entre 1/20 y 1/2 hp y son de tipo sellado hermético. Es

la aplicación de la refrigeración más conocida y representa un gran porcentaje de

la refrigeración industrial.

El presente capítulo describe la mecánica de los sistemas de refrigeración de uso

doméstico desde su principio de funcionamiento, ciclo termodinámico,


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características y propiedades que deben tener los fluidos refrigerantes para esta

aplicación.

3. OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

Comprender el funcionamiento en un sistema de refrigeración por compresión de

vapor.

4. MARCO TEORICO

CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR DE CARNOT

Por carecer de irreversibilidades, teóricamente se pueden realizar de forma

reversible un conjunto de procesos termodinámicos que a partir del trabajo de

Carnot permiten extraer la misma cantidad de calor del foco frío que en el motor

térmico es cedido y devolver al foco caliente el calor que en el motor había sido

extraído. El conjunto de máquinas de fluidos que permiten invertir de forma

reversible el ciclo del motor térmico constituyen la máquina frigorífica de Carnot.

En la práctica siempre existen irreversibilidades y podremos decir que una

máquina frigorífica es un conjunto de máquinas de fluidos que permiten extraer

calor de un foco frío y ceder calor a un ciclo caliente consumiendo una cantidad

neta de trabajo.


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En el ciclo de compresión de vapor de Carnot se desarrollan procesos que extraen

y ceden el calor del exterior mediante cambios de fase del fluido refrigerante que

circula por el ciclo. Para que el mismo fluido cambie de fase a distintos niveles

térmicos es necesario que existan también distintos niveles de presión. Esto

se consigue comprimiendo y expandiendo el fluido.

El trabajo consumido por el ciclo de Carnot surge de la diferencia entre el calor

necesario para la compresión y el obtenido de la expansión.

Se distinguen la siguiente sucesión de procesos

termodinámicos reversibles:


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COMPRESOR: Una máquina generadora comprime el fluido de manera

isoentrópica consumiendo trabajo y consiguiendo pasar el fluido desde la presión

baja a la presión alta del ciclo. En el ciclo de Carnot el compresor trabaja en

régimen húmedo.

CONDESADOR: El fluido a alta presión es enfriado sin pérdida de presión contra

el foco caliente que se encuentra a la misma temperatura que el fluido de

refrigeración (TC). El calor cedido (Qc) provoca que el refrigerante pase de fase

vapor a fase líquida sin irreversibilidades mecánicas ni térmicas.

EXPANSOR: Una máquina motora expande isoentrópicamente el fluido

extrayendo trabajo y bajando el nivel de presión desde la presión alta a la presión

baja.

EVAPORADOR: El fluido refrigerante a baja presión es calentado desde el foco

frío de manera reversible (sin salto de temperatura con el foco frío (TF) y sin

pérdida de presión) absorbiendo del foco frío el calor del ciclo (Qe) para cambiar a

fase vapor.

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Se define el ciclo ideal de compresión de vapor, como un ciclo de referencia

resultante obtenido a partir del ciclo de Carnot imponiendo unas condiciones

aunque ideales más realistas:

Existen saltos de temperatura entre el fluido que circula por el ciclo y las

temperaturas de los focos caliente y frío en el condensador y el

evaporador.

El proceso de compresión se realiza sobre vapor seco partiendo de las

condiciones de vapor saturado.

La expansión no se realiza en una turbina porque el poco trabajo obtenido

no compensa el coste y complejidad asociada a este elemento. La

expansión se desarrolla en una válvula de laminación adiabática y por tanto

es un proceso isoentálpico.


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En el ciclo de compresión de vapor real además:


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Hay pérdidas de presión en el condensador y el evaporador.

La entrada al compresor puede estar por encima de la temperatura de

vapor saturado. La salida del condensador puede estar por debajo de la

temperatura de líquido saturado

El proceso de compresión no es isoentrópico quedando caracterizado por

un rendimiento isoentrópico:

Transferencias de calor y trabajo (respecto fluido circulante en ciclo)


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Propiedades de los refrigerantes

Hasta el principio de los años 90 se utilizaban clorofluorocarbonos CFCs como el

R12. Desde entonces se utilizan HCFs como el R134a.

Para el cálculo se emplean las siguientes tablas para cada refrige:

Tablas de cambio de fase con las propiedades (u, h, s y v) en los puntos de

líquido y vapor saturado para una presión o temperatura dada.

Tablas de vapor sobrecalentado con las propiedades (u, h, s y v) para

pares P,T.

Es deseable no utilizar presiones demasiado bajas en el evaporador ni demasiado

altas en el condensador. Así las temperaturas requeridas en los focos caliente y

frío, TC y TF orientan la selección de los refrigerantes más apropiados para cada

aplicación.

Esta información se obtiene de las tablas o en otras ocasiones de diagramas p-h o

log (p)-h que son los más utilizados en el campo de la refrigeración.


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CICLOS MÁS EFICIENTES DE REFRIGERACION

CICLOS EN CASCADA.

La compresión múltiple en cascada permite, mediante dos circuitos de

refrigeración de una etapa "semi - independientes" y con distintos refrigerantes,

alcanzar temperaturas cercanas a los -80ºC. Propio en equipos de laboratorio para

almacenamiento de muestras biológicas.

La diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este

caso muy grande. En consecuencia, la variación de la temperatura de saturación

con respecto a la presión de vapor de un solo refrigerante no cumpliría con los

valores deseados par el evaporador y el condensador

Un ciclo en cascada es simplemente una disposición en serie de ciclos simples de

compresión de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura

baja entregue calor al evaporador de un ciclo a temperatura superior.


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MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO DE CICLO

En pocas palabras. El ciclo de refrigeración en cascada hace referencia a que si

se disminuye la temperatura de condensación a una presión determinada, más

adelante en el dispositivo de expansión se generara una caída de presión al igual

que su temperatura. Usando este principio, el ciclo de refrigeración en cascada


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usa un sistema frigorífico aparte para absorber el calor del condensador que ha

sido ganado el proceso de evaporación y en la compresión del vapor refrigerante

en su paso por el compresor.

Mediante ese sistema, el calor presente en el condensador es absorbido por el

evaporador de segundo sistema de refrigeración presente. Una solución fácil y

practica de cómo realizar este proceso es utilizando un intercambiador de calor

especialmente formulado para las capacidades frigoríficas respectivas a los

sistemas de enfriamiento involucrados. Este método es mucho más óptimo que la

extracción de calor por procesos convectivos, ya que el entorno de absorción en el

dispositivo condensativo es de menor temperatura que el aire que circula mediante

el.

BENEFICIOS

Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada

sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las

etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que

también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la

temperatura de descarga disminuye en comparación a un sistema de una sola

etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del

compresor.

MULTIETAPA REFRIGERACIÓN INTERMEDIA

La cámara flash separa vapor saturado (X) y líquido saturado (1-X). Al mezclarse

este vapor saturado con la salida del compresor 1 que está a la misma presión se

rebaja la temperatura alcanzándose una salida del compresor 2 a menos

temperatura que si solo se hubiera comprimido en una etapa hasta ese

nivel de presión (punto 4).

La presencia de dos válvulas de expansión con entrada en condiciones de

líquido saturado (punto 7) en la segunda hace que la entrada al evaporador (punto

8) sea con entropía más baja que si sólo hubiera existido una etapa. En

consecuencia se tiene una mayor capacidad específica de refrigeración.


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CICLO DE ABSORCIÓN

Además del refrigerante que es la sustancia que cambia de fase poseen otra

sustancia líquida llamado líquido absorbedor.

En relación al ciclo convencional, sustituyen el compresor por un conjunto de

elementos (absorbedor, bomba, generador y válvula) que permiten sustituir el

trabajo de compresión por un trabajo de bombeo casi 1000 veces menor. A

cambio es necesario aportar calor en el generador y extraerlo en el absorbedor.

Los elementos que aparecen son:

Absorbedor: Mediante una reacción exotérmica que debe ser refrigerada

permite que el refrigerante sea disuelto en el líquido absorbente.

Bomba: Bombea la solución diluida de refrigerante y líquido absorbente.


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Generador: Mediante aporte de calor consigue separar el refrigerante del

líquido absorbente en la zona de alta presión.

Válvula: Lleva la solución concentrada desde el generador al absorbedor.

CICLO DE REFRIGERACIÓN CON GAS (CICLO BRAYTON)

Es un ciclo cerrado de turbina de gas:


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ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN

Para graficar el ciclo de refrigeración del sistema en análisis, es necesario

conocer las temperaturas en los puntos indicados de la figura 1, además con estos

datos podemos calcular varios parámetros que nos permitirán conocer el COP del

sistema de refrigeración.


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Figura: 1 Puntos seleccionados para toma de temperatura.

La tabla 1 muestra la temperatura máxima y mínima, obtenida mediante

termocuplas en varios puntos del sistema de refrigeración, los datos son tomados

durante un día completo, figura 2

Tabla 1 Temperatura máxima y mínima en varios puntos del sistema.

Figura: 2 Temperaturas del sistema R134a

Las figura 3 muestra la variación de temperatura durante un día en el

evaporador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo T (-200 °C

hasta +350°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de trabajo del

equipo la temperatura se encuentra entre -14°C y -27°C, existen unos picos de 2°C

y 6°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el compresor está

apagado y se produce el descongelamiento del evaporador gracias a la resistencia

del sistema no frost.


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Figura: 3 Temperatura vs. Tiempo en el Evaporador con R134a.


interior del congelador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo

J (0 °C hasta 760°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de

trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre -15°C y -17°C, existen unos

picos de -8°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el compresor

está apagado y se produce el descongelamiento del evaporador gracias a la

resistencia del sistema no frost.

Figura: 4 Temperatura vs. Tiempo en el Congelador con R134a.


interior del refrigerador; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo

J (0 °C hasta - 760°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de

trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 4°C y 6°C, a diferencia de las


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otras gráficas no se producen picos cuando ocurre el descongelamiento del

evaporador, por el contrario la temperatura permanece en ese intervalo.

Figura: 5 Temperatura vs Tiempo en el Refrigerador con R134a.

Las figura 6 muestra la variación de temperatura durante un día a la salida

del compresor; el termopar utilizado para tomar estas temperaturas es tipo K (-

200°C hasta +1370°C); podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de

trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 30°C y 55°C, existen unos

picos de 25°C y 60°C que ocurren aproximadamente cada 16 horas cuando el

compresor está apagado y se produce el descongelamiento del evaporador

gracias a la resistencia del sistema no frost.

Figura: 6 Temperatura vs Tiempo salida del compresor con R134a.


ingreso del compresor; podemos observar en la gráfica que durante el ciclo de

trabajo del equipo la temperatura se encuentra entre 5°C y 30°C.


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Figura: 7 Temperatura vs Tiempo ingreso del compresor con R134a.

Las figura 8 muestra la variación de temperatura durante un día en la salida

del condensador; podemos observar que la temperatura se encuentra entre 20°C y

30°C, existen unos picos de 10°C.

Figura: 8 Temperatura vs Tiempo salida del condensador con R134a.


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5. CONCLUSIONES

En virtud de la información retenida y comprendida, se concluye que a medida de

que se va generando una mejora en el ciclo desde el punto de vista físico en la

disminución de calor en línea de alta presión, el fenómeno frigorífico tendrá a

mejorar considerablemente siempre y cuando las condiciones de funcionamiento y

diseño así lo permitan.

6. RECOMENDACIONES

Para profundizar el tema se recomienda el texto aplicados al sistema de

refrigeración como: DEUTSCHE GTZ. Buenas prácticas de refrigeración.

Eschborn, Alemania.

Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit, 2010. 181p.

7. BIBLIOGRAFIA

CENGEL, Yunus A. y Boles, Michael A. Termodinámica. 5ª edición.

México, McGraw Hill, 2002. 988p.

UNIVERSIDAD de Costa Rica. Eficiencia energética: El refrigerador. [en

<http://www2.eie.ucr.ac.cr/~jromero/sitio-TCU-

oficial/boletines/grupo04/numero-8/boletin8.html> [consulta: 13 octubre 2013].

Cuenca, S., No, D. E. R., Con, F., Cabrera, C., Fernando, B., Rodríguez, P., … Fernando, B. (2014). “Estudio termodinámico de un sistema de refrigeración no frost con R600a.”

http://www.monografias.com/trabajos-pdf5/aire-acondicionado-y-refrigeracion-

notas/aire-acondicionado-y-refrigeracion-notas.shtml#ixzz3e10EfyrM

http://www.monografias.com/trabajos-pdf5/aire-acondicionado-y-refrigeracion-notas/aire-acondicionado-y-refrigeracion-notas.shtml#ixzz3e10EfyrM

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