refrigeracion industrial ii

7/30/2019 Refrigeracion Industrial II

1/25

UNIDADII

El Ciclo de Refrigeracin


2/25

Tecsup Virtu@l Indice

ndice

Unidad : Ciclo de Refrigeracin

1. DIAGRAMAS PRESIN - ENTALPA............................................................................. 12. PROCESOS DE REFRIGERACIN................................................................................. 53. COEFICIENTE DE COMPORTAMIENTO........................................................................ 74. EFECTO SOBRE LA CAPACIDAD ................................................................................. 8

4.1. CICLO COMBINADO DE REFRIGERACIN CON 2 EVAPORADORES......................135. SMBOLOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIN.......................................156. SMBOLOS ELCTRICOS...........................................................................................19


3/25

Tecsup Virtu@l Refrigeracin Industrial

Pag. 1 Unidad II

UNIDAD II

INTRODUCCIN

Los componentes descritos en la unidad I no podran realizar ningn proceso sin la aplicacin dealgn ciclo termodinmico que logre el fro el alguna de sus etapas. Este ciclo termodinmico esel ciclo Rankine invertido que es la base para el ciclo bsico de refrigeracin que hace un(fluido) refrigerante al pasar por cada componente principal. La forma mas fcil de comprendereste comportamiento del refrigerante es el estudios de los procesos en los que interviene en elDiagrama de Mollier en el cual puede verse como una radiografa todos los estadosenergticos por los que pasa. As mismo cualquier variacin de parmetros tanto en operacinnormal o anormal del sistema pueden visualizarse en toda su amplitud si sabemos leer eldiagrama de Mollier.

1. DIAGRAMAS PRESIN - ENTALPALa Figura 2.1 muestra un diagrama de flujo esquemtico de un ciclo bsico en refrigeracin,denotando cambios de fase o proceso. Primero el refrigerante pasa del estado lquido alestado de vapor cuando absorbe calor en el serpentn evaporador. La etapa de compresin,donde el vapor refrigerante incremento su presin y temperatura, es el siguiente: Elrefrigerante cede su calor en el condensador al medio enfriante del ambiente y el vaporrefrigerante se condensa a lquido en donde est listo para ser usado de nuevo en el ciclo.

Fig. 2.1 Diagrama esquemtico delciclo de refrigeracin


4/25


Pag. 2 Unidad II

La Figura 2.2 es una reproduccin de un diagrama de Moliere (comnmente conocido comouna carta P-h) del refrigerante 12, la cual muestra las caractersticas de presin, calor ytemperatura de este refrigerante. Los diagramas presin entalpa pueden utilizarse paragrfica el ciclo mostrado en la Figura 2.1, pero una carta bsica o esqueleto como lamostrada en la Figura 2..3 puede utilizarse como una ilustracin preliminar de las varias

fases del circuito refrigerante.Hay tres reas bsicas en la carta, que denotan cambios en estado entre la lnea de lquidosaturado y la lnea de vapor saturado en el centro de la carta.

El rea a la izquierda de la lnea de lquido saturado, es el rea subenfriada, donde elrefrigerante lquido ha sido enfriado por debajo de la temperatura correspondiente a supresin, mientras que el rea a la derecha de la lnea de vapor saturado, es el rea desupercalentamiento, donde el vapor refrigerante ha sido calentado ms all de latemperatura de vaporizacin correspondiente a su presin.

La construccin del diagrama o ms bien un conocimiento y entendimiento del mismo puedetraer una interpretacin ms clara de lo que sucede al refrigerante en sus varias etapasdentro del ciclo de refrigeracin. Si el estado y dos propiedades del refrigerante sonconocidas y si este punto puede localizarse en la carta, las otras propiedades pueden leersefcilmente de la carta.


5/25


Pag. 3 Unidad II

Fig. 2.2 Diagrama de Moliere


6/25


Pag. 4 Unidad II

Si el punto se sita en cualquier parte entre las lneas de lquido y vapor saturado, elrefrigerante estar en la forma de una mezcla de lquido y vapor. Si su localizacin estms cerca a la lnea de lquido saturado la mezcla tendr ms lquido que vapor y un puntolocalizado en el centro del rea para una presin en particular, indicar una situacin de50% lquido, 50% vapor.

Refirindose a la Figura 2..3, los cambios en estado de vapor a lquido el proceso decondensacin ocurre cuando el camino del ciclo va de derecha a izquierda; mientras elcambio en estado de lquido a vapor el proceso de evaporacin va de izquierda a derecha.La presin absoluta se indica sobre el eje vertical a la izquierda y el eje horizontal indica elcontenido de calor o entalpa en Btu/1b.

La distancia entre las dos lneas saturadas a una presin dada, como se indica sobre la lneade contenido de calor, es el calor latente de vaporizacin del refrigerante a una presinabsoluta dada. La distancia entre las dos lneas de saturacin no es la misma para todas laspresiones, porque no siguen curvas paralelas. Por consiguiente hay variaciones en el calorlatente de vaporizacin del refrigerante, dependiendo de la presin absoluta. Hay tambinvariaciones en las cartas de presin-entalpa de diferentes refrigerantes y las variacionesdependen de las distintas propiedades del refrigerante individual.

Fig. 2.3 Entalpa (BTU/H)


7/25


Pag. 5 Unidad II

2. PROCESOS DE REFRIGERACINBasado en el ejemplo presentado antes, se asumir que no hay cambio en la temperaturadel lquido refrigerante condensado despus de que sale del condensador y va a travs de lalnea de lquido en su camino a la expansin o aparato de medicin, o en la temperatura del

vapor refrigerante despus de que sale del evaporador y pasa a travs de la tubera desuccin al compresor.

La Figura 2.4 muestra las fases del ciclo saturado simple, con rtulos apropiados depresiones, temperaturas y contenidos de calor o entalpa. Un punto de partida debeescogerse en el ciclo refrigerante; permtase que sea A, sobre la lnea de lquido saturado,donde todo el vapor a 100 F se ha condensado a lquido a 100F y se halla a la entrada delaparato de medicin. Lo que ocurre entre los puntos A y Bes el proceso de expansincuando el refrigerante pasa a travs del aparato de medicin y la temperatura delrefrigerante se baja de la temperatura de condensacin 100F, a la temperatura deevaporacin 40F.

Cuando la lnea vertical A - B (el proceso de expansin) se extiende hacia abajo al ejehorizontal, aparece una lectura de 31,10 Btu/lb, que es el contenido de calor del lquido a100F. A la izquierda del punto B en la lnea de lquido saturado est el punto Z, el cual sehalla tambin a la temperatura de 40F. Tomando un camino vertical hacia abajo del puntoZ, se halla una lectura de 1 7,27 Btu/lb, que es el contenido de calor del lquido a 40F.

La lnea horizontal entre los puntos B y C indican el proceso de vaporizacin en elevaporador, donde el lquido a 40F absorbe suficiente calor para vaporizarsecompletamente y est listo para el proceso de compresin. Una lnea dibujadaverticalmente hacia abajo hasta encontrar la lnea de entalpa, indica que el contenido decalor mostrado en hc , es 81,44 Btu/lb y la diferencia entre ha yhces 50,34 Btu/lb que es elefecto refrigerante del ejemplo previo.

La diferencia entre los puntos hzyhc sobre la lnea de entalpa es 64,17 Btu/lb que es elcalor latente de vaporizacin de 1 lb de R-12 a 40"F. Esta cantidad tambin sera el efectorefrigerante, pero algo del refrigerante a 100F debe evaporar o vaporizar para que laporcin restante de cada libra de R- 12 pueda bajar su temperatura de 100F a 40F.

Todos los reirigerantes exhiben ciertas propiedades cuando estn en estado gaseoso,algunas de ellas son: volunien, temperatura, presin, entalpa o contenido de calor yentropa. La ltima propiedad entropa es realmente la ms dificil de describir o definir. Esla relacin del contenido de calor del gas a su temperatura absoluta en grados Rankine y se

relaciona con la energa interna del gas.


8/25


Pag. 6 Unidad II

Fig. 2.4

La carta de Mollier grfica 1a lnea de entropa constante, la cual permanece igual cuando elvapor se comprime y no se aade ni se libera calor al exterior. Cuando la entropa esconstante el proceso se denomina adiabtico, lo cual significa que el gas cambia sucondicin sin la absorcin o liberacin de calor bien sea desde o hacia un cuerpo o fuenteexterna. Es prctica comn, en el estudio de ciclos de refrigeracin, dibujar la lnea decompresin, a lo largo de una lnea de entropa constante o paralela a ella.

En la Figura 2.3, la lnea C -Ddenota el proceso de compresin, en el cual la presin y latemperatura del vapor se incrementa de la del evaporador a la del condensador, con lasuposicin de que no hay ganancia de calor en la lnea de succin entre el evaporador y elcompresor. Para una temperatura de condensacin de 100F, un manmetro leeraproximadamente 117 psig; pero el diagrama P-h est en presiones absolutas y la presinatmosfrica de 14,7 psia debe aadirse a la psig para obtener 131,86 psia.

El punto D sobre la lnea de presin absoluta es equivalente a la temperatura decondensacin de 100F; no est sobre la lnea de vapor saturado, sino a la derecha en elrea de supercalentamiento en la interseccin de la lnea de 131,8 psia, la lnea de entropaconstante a 40F y 1a lnea de temperatura de aproximadamente 116F. Una lnea vertical

desde D intercepta la lnea de contenido de calor en 89,96 Btu/lb la cual es hd la diferenciaentre hc, y hd es 8,52 Btu/lb -calor de compresin que ha sido aadido al vapor. Estacantidad de calor es la energa equivalente al trabajo efectuado durante el ciclo derefrigeracin por compresin. Esta es la temperatura terica de descarga, asumiendo queentra vapor saturado. En la operacin real la temperatura de descarga puede ser 20- 35Fmayor que la predicha tericamente. Esto puede verificarse en un sistema en operacincolocando un termmetro o termopar a la salida de la vlvula de servicio de descarga sobreel compresor.

Durante el proceso de compresin el calor absorbido por el vapor es el resultado de lafriccin causada por la accin de los pistones en los cilindros y por el vapor mismo al pasar a

travs de las pequeas aperturas de las vlvulas internas de succin y descarga. Porsupuesto el vapor tambin se calienta por la accin de sus molculas que son comprimidas,lo cual se llama comnmente calor de compresin.


9/25


Pag. 7 Unidad II

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

La lnea D-E denota el supercalentamiento que debe retirarse del vapor antes de que stepueda comenzar el proceso de condensacin. Una lnea dibujada verticalmente hacia abajodel punto E hasta he,. sobre la lnea de contenido de calor indica una distancia hd - he, de2,93 Btu/lb, debido a que el contenido de calor de vapor a 100F es 87,03 Btu/1b. Estesupercalentamiento es usualmente removido en la lnea de descarga de gas caliente o en laporcin superior del condensador. Durante este proceso la temperatura del vapor se baja atemperatura de condensacin.

La lnea E-A representa el proceso de condensacin que se realiza en el condensador. En elpunto E el refrigerante es un vapor saturado a una temperatura de condensacin de 100F yuna presin absoluta de 131,86 psia; la misma temperatura y presin prevalecen en elpunto A, pero el refrigerante est ahora en estado lquido. En cualquier otro punto sobre lalnea E--Ael refrigerante est en la fase de una combinacin lquido-vapor: ms cerca alpunto A, mayor cantidad de refrigerante se ha condensado al estado lquido. En el punto Atoda libra refrigerante est lista para realizar nuevamente el ciclo de refrigeracin cuando serequiera, para remover calor de la carga en el evaporador.

3. COEFICIENTE DE COMPORTAMIENTODos factores mencionados antes son de gran importancia en la decisin de cul refrigerantedebe usarse para un proyecto dado de remocin de calor. Ordinariamente, esta decisin se

alcanza durante el aspecto de diseo del sistema de refrigeracin y aire acondicionado, perose explicar brevemente ahora .

Los dos factores que determinar. el coeficiente de comportamiento (CoC) de un refrigeranteson: el efecto refrigerante y el calor de compresin. La ecuacin puede escribirse as:

Sustituyendo valores del diagrama Ph del ciclo saturado simple presentado previamente, laecuacin sera:

CompresiondeCalor

teRefrigeranEfecto=CoC

91.552.8

34.50

h-h

ha-h

cd

c===CoC


10/25


Pag. 8 Unidad II

El CoC es por consiguiente una medida de la eficiencia de un ciclo de refrigeracin en lautilizacin de la energa que se gasta en el proceso de compresin, con relacin a la energaque es absorbida en el proceso de evaporacin.

Como puede verse de la ecuacin anterior, a menor energa gastada en el proceso decompresin, mayor ser el CoC del sistema de refrigeracin. Por consiguiente, el

refrigerante que tenga el mayor CoC, ser probablemente el seleccionado suponiendo quelas otras cualidades y factores son iguales.

4. EFECTO SOBRE LA CAPACIDADLos diagramas de presin y entalpa de las figuras 2.4 y 2.5 muestran una comparacin dedos ciclos saturados simples que tienen diferentes temperaturas de evaporacin pararelievar varias diferencias en otros aspectos del ciclo. Para que pueda hacerse unacomparacin aproximada en base a clculos matemticos, los ciclos mostrados en las figuras2.4 y 2.5 tendrn la misma temperatura de condensacin, pero la temperatura deevaporacin se bajar a 20F en la figura 2.5 Los datos pueden obtenerse o verificarse enla tabla para R-12, pero se tomar los valores A, B, C, D y E de la figura 2.5 paracompararlo con los de la figura 2.4 (con 20 en el evaporador). El efecto refrigerante, elcalor de compresin y el calor disipado en el condensador sern comparados en cada unode los ciclos. La comparacin se basar en los datos de contenido de calor o entalpa enBtu/1b.

Fig 2.5

Para el ciclo con temperatura de evaporacin de 20F mostrado en la Figura 2.5:

Efecto refrigerante neto ( hc' - ha)= 48,28 Btu/lb Calor de comprensin ( hd' - hc')= 10,58 Btu/lbEn comparacin con los datos anteriores del ciclo con 40F de temperatura de evaporacin(Figura 2.4), se encuentra que hay un decrecimiento de E.R.N. del 4% y un incremento enel calor de compresin del 28%. Hay algo de incremento en el supercalentamiento, el cual


11/25


Pag. 9 Unidad II

debe retirarse bien sea en la lnea de descarga o en la porcin superior del condensador.Este es el resultado de bajar la temperatura de succin, manteniendo constante latemperatura de condensacin.

Se encontrar que el peso de refrigerante que se va a hacer circular por ton derefrigeracin, en un ciclo con 20"F de temperatura de evaporacin y 100F de temperatura

de condensacin, es 4,14 lb/min/ton:

Esto, por supuesto, requerir bien sea un compresor mayor o el mismo trabajando a mayorrpm.

La Figura 2.6 muestra el ciclo original con temperatura de evaporacin de 40 F pero la tem-peratura de condensacin se ha incrementado a 120 F.

Fig. 2.6

De nuevo tomando los datos especficos de entalpa, se encontrar para el ciclo con 120 Fde temperatura de condensacin que ha = 36,01, hc= 81,43, hd. =91,33 y hd,= 88,6 1.

Efecto refrigerante neto (hc - ha ) =45,4 Btu/lb

Calor de compresin (hd - hc) = 9,90 Btu/lbSupercalentamiento en el condensador (hd - he ) = 2,72 Btu/lb

)/(

)/(200

lbbtuERN

mnbtuW =

)/(29,48

)/(200

minbtu

minbtuW =

W = 4,14 lb/min


12/25


Pag. 10 Unidad II

En comparacin con el ciclo que tiene 100 F de temperatura de condensacin, puedecalcularse que al permitir que la temperatura del proceso de compresin un incremento en20 F, hay un decrecimiento en el E.R.N. del 9,8%, un incremento del calor de compresindel 16,2% y un decrecimiento del supercalentamiento que va a ser removido bien sea en lalnea de descarga o en la porcin superior del condensador del 7,1%.

Con una temperatura de evaporacin de 40 F y una temperatura de condensacin de 120F, el peso de refrigerante que se debe hacer circular ser de 4,4 lb/min/ton. Esto indicaque aproximadamente 11 % ms de refrigerante debe hacerse circular para realizar lamisma cantidad de trabajo que se haca cuando la temperatura de condensacin era de 100F.

Ambos ejemplos muestran que para mejor eficiencia del sistema, la temperatura de succindebe ser tan alta como sea posible y la temperatura de condensacin tan baja como seafactible. Por supuesto hay limitaciones con respecto a los extremos bajo los cuales lossistemas pueden operar satisfactoriamente y deben considerarse otros medios deincrementar la eficiencia. La economa del equipo (costo ms comportamiento enoperacin) determina en ltimas instancias el rango factible.

En referencia a la fig 2.7, despus de que el proceso de condensacin ha sido completado ytodo el vapor refrigerante a 120 F est en estado lquido, si el lquido puede subenfriarse alpunto A' sobre 1a lnea de 100 F (un diferencia1 de 20 F)' el E.R.N. (hc - hd,) seincrementar en 4,91 Btu/1b. Este incremento en la cantidad de calor absorbida en elevaporador sin un incremento en el calor de compresin incrementar el CoC de ciclo, yaque no hay incremento en el consumo de energa del compresor.

Fig. 2.7


13/25


Pag. 11 Unidad II

Este subenfriamiento puede realizarse mientras el lquido est temporalmente almacenadoen el condensador o recipiente, o algo de calor del lquido puede disiparse a la temperaturaambiente, cuando l pasa a travs de la lnea de lquido en su viaje al aparato de medicin.El subenfriamiento tambin puede tener lugar en un sistema comercial enfriado por aguamediante el uso de un subenfriador de lquido, el cual, en una aplicacin de bajatemperatura, bien puede pagarse con el incremento en la capacidad y eficiencia total del

sistema de refrigeracin.Otro medio de subenfriar el lquido es mediante un intercambiador de calor entre las lneasde lquido y succin, en donde el calor del lquido puede trasferirse al vapor en la succin,ms fro, que viaja del evaporador al compresor. Este tipo se muestra en la Figura 2.8 elcual es un diagrama de un ciclo de refrigeracin que une un intercambiador de calor lquidosuccin. En verdad, el calor no puede retirarse del lquido y luego aadirse al vapor desuccin sin un detrimento de la eficiencia total del ciclo de refrigeracin, por ejemplo, elvapor ser supercalentado, lo cual a su vez incrementar el volumen especfico de cada librade vapor refrigerante y consecuentemente producir un descenso en la densidad. As, cual-quier ventaja de subenfriamiento en un ciclo saturado sera negada, pero en un ciclo real,las condiciones de un ciclo saturado simple no existen.

En cualquier ciclo operando normalmente, el vapor en la succin no llega al compresor enuna condicin saturada. Se produce un supercalentamiento en el vapor despus de que elproceso de evaporacin ha sido completado en el evaporador y/o en la lnea de succin, tanbien como en el compresor. Si este supercalentamiento se produce slo en el evaporador,se est haciendo enfriamiento til porque se est removiendo calor de la carga o producto,en adicin al calor que fue retirado durante el proceso de evaporacin. Pero si el vapor sesupercalienta en la lnea de succin localizada en el exterior del espacio acondicionado, nose realiza enfriamiento til; ms an, ste es el que se efecta en la mayora si no en todoslos sistemas de refrigeracin.


14/25


Pag. 12 Unidad II

Fig. 2.8 Diagrama de Flujo para el Sistema deRefrigeracin R 12


15/25


Pag. 13 Unidad II

Ahora, donde se produce el supercalentamiento en la tubera de succin por medio de unintercanibiador de calor lquido-succin, este calor aadido al vapor ser benfico porque lproducir el subenfriamiento del lquido. Como un ejemplo suponga que la temperatura desuccin en el evaporador es de 40 F el vapor supercalentado que sale del evaporadorpuede tener 50 F y la temperatura del vapor al llegar al compresor puede ser 75 F o mas,dependiendo de la temperatura ambiente alrededor de la succin. Esto quiere decir que la

temperatura del vapor ha sido incrementada en 25 F, sin hacer enfriamiento o trabajo til,a causa de que este calor ha sido absorbido del aire ambiente exterior al espacio que seenfra.

Si algo o la mayora de estos 25 F de incremento en el vapor, fueron el resultado de calorabsorbido del lquido refrigerante, se estara haciendo enfriamiento til, ya que elsubenfriamiento del lquido resultara en un efecto refrigerante mayor que cuando elrefrigerante alcanza el aparato de medicin sin subenfriamiento. Es posible alcanzar unbalance aproximado entre la cantidad de calor en Btu /lb retirado por subenfriamiento dellquido y la cantidad de calor aadido al vapor refrigerante en la tubera de succin sin elintercambiador de calor.

4.1. CICLO COMBINADO DE REFRIGERACIN CON 2 EVAPORADORESEste ciclo de refrigeracin es una variante muy utilizada en la industria pues permite:

a) Utilizar 2 evaporadores en un misma cmara con distinta ubicacin.b) Utilizar el mismo sistema de refrigeracin para enfriar 2 cmaras de la misma

temperaturac) Utilizar el mismo sistema de refrigeracin para enfriar 2 cmaras de a diferente

temperatura.El esquema de la disposicin es como sigue:

1

23

4 5

67 8

40c

10c

-10c

Fig 2.9 ciclo combinado cn 2 evaporadores


16/25


Pag. 14 Unidad II

Como se ver en el sistema cada evaporador esta independizado por un conjuntotermostato-solenoide que al sensar la temperatura de trabajo cierra el paso derefrigerante hacia l. Ntese que mientras que alguna de las cmaras todava nollega a su temperatura de trabajo, el sistema permanecer operando. Si en algn

momento cuando las dos cmaras lleguen a su temperatura de trabajo, se cerrarnlos 2 solenoiden impidiendo el paso de refrigerante al compresor; luego ste crearuna mayor presin de vaco que permitir recin actuar al presostato para quedetenga la marcha del compresor.Se nota tambin un juego de vlvulas a la salida decada evaporador. La check es unavlvula que no permite la entrada de refrigerante del evaporador de mayor presinhacia el de menor presin, mientras que la vlvula reguladora de presin deevaporacin controla que el evaporador de alta presin mantenga una presinunforme.

condensador

evaporador (5C)

evaporador (-15C)

COMPRESOR

VET

VET1

2

3

4

7

5

6

8

S

SCHECK

VALV. REGUL. PRESION DE

EVAPOR

T

T

PRESOST

Fig 2.10 esquema del sistema de refrigeracin con 2


17/25


Pag. 15 Unidad II

5. SMBOLOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACINLos smbolos utilizados en sistemas de refrigeracin se relacionan con los smbolos utilizadosen electricidad. A continuacin tenemos algunos de ellos.


18/25


Pag. 16 Unidad II


19/25


Pag. 17 Unidad II


20/25


Pag. 18 Unidad II


21/25


Pag. 19 Unidad II

6. SMBOLOS ELCTRICOS


22/25


Pag. 20 Unidad II


23/25


Pag. 21 Unidad II


24/25


Pag. 22 Unidad II


25/25


FIN DE LA UNIDAD

refrigeracion industrial ii

Documents