Capitulo 2 ing frio
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CAPITULO 2 Compresión mecánica
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CAPITULO 2Compresión mecánica
Diagramas termodinámicos El sistema de compresión mecánica por
vapor es utilizado en casi la totalidad de instalaciones frigoríficas, para ello se emplean principalmente los siguientes diagramas:Diagrama de Andrews (P-V)Diagrama Entrópico (T-S)Diagrama Entalpico o de Mollier (P-h p LogP
-h)Diagrama Entalpia-Entropia (h-S)
Diagrama de Andrews
Este diagrama de presión-volumen especifico se utiliza para estudio del compresor
No es practico emplearlo en análisis de ciclos frigoríficos por variar constantemente el volumen especifico del fluido
Además, da los resultados en unidades mecánicas Las líneas paralelas al eje de ordenadas se denomina
isocoras Las líneas paralelas al eje de abscisas se denominan
isobaras. La curva ACrB es la curva de saturación La curva de saturación divide en dos zonas:
Una exterior donde el fluido es homogeneo (vapor o liquido)Una interior donde el fluido es heterogeneo(liquidos y
vapor)
La rama ACr se denomina curva de condensacion.(liquido saturado)
La rama CrB es la curva de vapor saturado Por el punto Cr (punto critico) pasa la isoterma
( isoterma critica) que junto con la curva de saturación divide al plano en 4 zonas:(I) liquido mas o menos sub-enfriado.(II) fluido heterogéneo.(III) estado de vapor sobrecalentado puede ser
condensado por enfriamiento a presión constante, por aumento de la presión a temperatura constante o bien ambos procedimientos.
(IV) por encima de la isoterma el fluido se encuentra en estado gaseoso (vapor seco) y no puede ser condensado a cualquier presión que se le someta.Regresar
Diagrama Entrópico
Las líneas paralelas al eje de abscisas son isotermas
Las líneas paralelas al eje de ordenadas son las isotrópicas
Las líneas isobaras son quebradas horizontales en la zona de vapores húmedos, ascendentes en la zona de vapores recalentados, mas horizontales en zona de vapores sobrecalentados.
Las líneas isoentálpicas: muy vertical en zona de vapores húmedos, se quiebran en línea de vapores saturados, mas horizontales en zona de vapores recalentados.
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Diagrama Entálpico
Las líneas horizontales son isóbaras y las verticales son isoentálpicas
En este diagrama todas las transformaciones producidas en el ciclo frigorífico real son dadas en unidades térmicas directamente.
En este diagrama las líneas representadas son:Isotermas: ascienden casi verticales en la zona de
liquido subenfriado, horizontales dentro de curva de saturación, y descendentes en zona de vapor recalentado
Isotrópicas: de pendiente positiva, no tienen inflexión al atravesar la zona de vapores saturados.
Isocoras: se quiebran al atravesar la curva de saturación.
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Diagrama Entalpia-Entropía
Las lineas horizontales son las isoentalpicas y las verticales las isoentropicas
Este diagrama incluye la curva de saturacion que en el tramo de condensacion es la envolvente de las isotermas e isobaras, coincidentes en la zona de vapor humedo; las isobaras no se refractan al atravesar la curva de vapor saturado aumentando su pendiente, mientras que las isotermas se refractan tendiendo a hacerse horizontales
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CICLO DE UNA MAQUINA FRIGORIFICA PERFECTA
Se denomina maquina frigorífica a aquella que es capaz de transportar calor de un foco fría a un foco caliente mediante un aporte exterior de trabajo.
Balance térmico:
Q1=Q2 +Aɤ
Siendo:
A=1/427Kcal/kg.m
Q1= calor cedido al foco caliente
Q2=calor absorbido del foco frio
Instalación frigorífica teórica Sigue el ciclo inverso de Carnot y esta
constituido por los siguientes elementos:
1. Evaporador: Se produce un cambio de estado de liquido a vapor por expansión isotérmica.
2. Compresor: Se eleva la presión del vapor adiabáticamente.
3. Condensador: Se comprime el vapor isotérmicamente, cediendo calor al foco caliente y condensándose.
4. Cilindro expansor: En el tiene lugar la expansión adiabática del liquido condensado, hasta reducir su presión.(falta figura 2.5])
Estudiando las transformaciones realizadas en el esquema teórico mediante los diagramas P-V y T-S se recorrerán ciclos cerrados, inversos al de Carnot.(grafico 2.6 y 2.7)
Se ha de cumplir:
Q1- Q2 =A.(ɤ1 - ɤ2)
Se aporta un trabajo exterior al sistema, que es la diferencia realizado por el compresor y el efectuado por el cilindro expansor:
ɤ = ɤcompresor - ɤexpánsor
Balance energético de un elemento cualquiera de l circuito frigorífico:
+IQI+ I A ɤI= hs+ 1/2
Velocidades iguales
+IQI+ I A ɤI= hs
En los intercambiadores de calor, evaporador y condensador, no hay aporte ni cesión de trabajo:
IQI = hs –he
Las trasformaciones teóricas en cilindros compresor y expansor, adiabáticamente reversibles, se realizan sin intercambio de calor:
Aɤ = hs - he
SI en vez de cilindro expansor, se emplea una válvula de laminación, donde nos hay intercambio de calor y trabajo: he =hs
MAQUINA REAL TEÓRICA
Este ciclo presenta dos diferencias respecto al de Carnot:
1.El compresor realiza su función en la zona de vapor seco(isoentrópica C-D),trabajando en régimen seco a diferencia del régimen húmedo de Carnot.
2.El paso de la alta presión a la baja presión se hace utilizando una válvula de laminación ,según un proceso isoentálpico (A-B).la válvula actúa solo como reguladora de presiones ,sin recuperar ningún trabajo.
«LA JUSTIFICACION DE POR QUE LA MAQUINA REAL SE SEPARA DEL CICLO DE CARNOT SE HA DE BASAR EN CONSIDERACIONES TEORICAS ,VARIACIONES DE EFECTO FRIGORIFICO PRODUCIDO Y TRABAJO ACEPTADO,VENTAJAS MECANICAS».
CONDENSADOR
El fluido evoluciona desde la presión y temperatura de descarga de compresión (2) hasta la temperatura de condensación(3),procediendo entonces a ceder su calor latente hasta que todo pase a liquido(4).en ese momento todo el fluido se encuentra como liquido y a la temperatura de condensación. Sí se quiere obtener la máxima producción frigorífica ,habría que enfriar el liquido hasta su temperatura de vaporización(5)siguiendo una isobara.
El subenfriamiento hasta la temperatura de vaporización no se realiza, sí no solo hasta una temperatura intermedia entre
la de condensación y la de vaporización.
Mientras que en el ciclo de Carnot realizaría una expansión adiabática reversible (4-4´´),en el cilindro expansor ,el ciclo real realiza una transformación isoentálpica (4-5)en la válvula de laminación .con esto ,la producción frigorífica del ciclo queda disminuida y aumentado el trabajo en el ciclo real frente al de Carnot.
La eficiencia del ciclo real ,rendimiento económico, se establece por la relación del rendimiento del ciclo real al rendimiento de un ciclo de Carnot que trabaje en sus mismas condiciones.
El valor puede ser inferior a la unidad ,pero nunca menor de 0,7.
DESVIACION RESPECTO AL CICLO DE CARNOT: TRABAJO DEL COMPRESOR EN REGIMEN SECO,COMPRIMIENDO VAPPORES EN ESTADO SATTURADO.
El ciclo de Carnot realizara una adiabática reversible en la zona de vapores húmedos(1-2) mientras que el ciclo real realiza una adiabática reversible en la zona de vapores secos(1´-2’).
Además se pueden hacer una serie de consideraciones mecánicas que justifican la compresión en régimen seco, como son : El compresor trabaja mejor en zonas de vapor
seco. Al trabajar en régimen húmedo y disminuir la
presión, tras la compresiones la carrera descendente del embolo, se vaporizan las gotas del liquido haciendo inútil parte de la carrera de aspiración.
No es inútil ,mover un liquido que al no cambiar de estado no realiza su función de absorber calor en el evaporador.
Efecto de la temperatura de vaporización y condensación sobre la eficacia 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.
Este rendimiento lo vemos evidenciado en el efecto refrigerante.
a) Efecto de la temperatura de Vaporización:
Si observamos la grafica, podemos observar que existe un mayor efecto refrigerante en el ciclo con mayor temperatura de vaporización (5-1).
La cantidad de fluido refrigerante que circula es menor a una mayor temperatura de vaporización.
La diferencia de presiones entre en evaporador y condensador es menor (1-2 es menor que 1’-2’), por lo tanto el trabajo de compresión también será menor.
El volumen movido por el compresor disminuye a medida que la temperatura de vaporización aumenta.
Además debido al menor peso del refrigerante y al menor calor de compresión aportado, el calor eliminado en el condensador es menor.
¿Cómo evidenciamos el aumento de rendimiento?
a) Efecto de la temperatura de Condensación:
La temperatura del liquido en la válvula(4’) es mayor lo que reduce su efecto refrigerante (h1-h4’<h1-h4).
El peso de refrigerante que circule es mayor y por lo tanto se incrementa el volumen de vapor a comprimir.
El trabajo del compresor para llegar a la presión correspondiente al aumentar la temperatura de condensación es mayor.
RECALENTAMIENTO DEL VAPOR
En el ciclo de refrigeración se supone que el vapor de aspiración llega al compresor como vapor saturado a la presión y temperatura de evaporación. Pero en la practica pocas veces sucede esto por que el vapor de recalentado al compresor.
Si la presión permanece constante durante el recalentamiento. Entonces en estas condiciones el trabajo de compresión por Kg de refrigerante para el ciclo de recalentamiento es ligeramente mayor que el se necesita para el ciclo de vapor saturado seco.
La cantidad de calor por Kg de refrigerante eliminado es mayor cuando hay recalentamiento del vapor.(calor sensible)
La potencia requerida para el ciclo de recalentamiento es mayor y la además, es menor el rendimiento obtenido.
Cuando el vapor pasa directamente al compresor sin recalentar, puede arrastrar vapor húmedo que pueden causar efecto negativos en la capacidad del compresor.
El recalentamiento en el tramo de aspiración puede ocurrir en los siguientes puntos:
1) Al final de l evaporador
2) En la tubería de aspiración instalada dentro del local refrigerado.
3) En la tubería de aspiración situada fuera del espacio refrigerado
4) En un cambiador de calor, tramo de aspiracion-tuberia de liquido
Cuando el recalentamiento por la tubería de aspiración localizada por fuera del espacio refrigerado, el calor tomado por el vapor es absorbido del ambiente y no se produce enfriamiento útil.
El recalentamiento excesivo del vapor de aspiracion en el evaporador reducirá la capacidad del evaporador innesesariamente,haciendolo aperar a una menor temperatura.
EL grado de recalentamiento del vapor de aspiracion,dentro del espacio refrigerado,esta limitado por la temperatura del espacio.
2.2. Maquina de doble salto directo con inyeccion total de refrigerante en enfriador intermedio o con enfriador intermedio tipo abierto.
El liquido que proviene del condensador se expande directamente en el enfriador intermedio donde recude su temperatura hasta la de saturación desacuerdo a la presión que existe dentro.
El gas que proviene del compresor de baja presión es enfriado haciéndolo burbujear atreves del liquido del enfriador intermedio pasando luego al compresor de alta presion.
Diagramas entalpico y entropico correspondientes al ciclo de refrigeración para este sistema.
Subenfriamiento del liquido
Cuando el liquido refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula de expansión, se incrementa el efecto refrigerante por unidad de masa de fluido refrigerante.
En algunos casos se usa un intercambiador especial para subenfriar el liquido.
La ganancia en la capacidad frigorífica del sistema y en la eficiencia energética resultante del subenfriamiento del liquido, es con frecuencia mas suficiente para compensar el costo adicional del subenfriador, sobre todo para aplicaciones de muy baja temperatura.
Se debe tener en cuenta, que en cualquiera de los dos casos de localización del subenfriador, el tamaño de la bomba del condensador debe aumentarse cuando se agrega un subenfriador.
Otro método para subenfriar el liquido consiste en instalar un cambiador de calor entre el liquido y el vapor frio del tramo de aspiración que se dirige al compresor. De esta forma el liquido es subenfriado y el vapor es sobrecalentado.
Pérdidas de Presión
Producido principalmente por fricción, cuando el refrigerante circula por las tuberías, evaporador, condensador, válvulas.
En el evaporador:Sale a una presión menor por lo tanto a una temperatura de
saturación menor.Aumento de volumen especificoSu valor normal es de 0.14-0.21 Kg/cm2. Para que la
variación de la temperatura de saturación no sea mayor a 1 °C
En el compresor:El caudal volumétrico movido aumenta y la potencia
requerida también es mayor.Una caída de presión en el lado de descarga origina un
aumento de trabajo y potencia del compresor. Entre recipiente de liquido y válvula de expansión:
Debe ser inferior a 0.35 Kg/cm2
CAPITULO 3
Producción Frigorífica a bajas
temperatura
MAQUINA CON DOS ESCALONAMIENTOSEl sistema más generalizado actualmente para la producción de frío, es el llamado de compresión mecánica, al que denominamos convencional y que consistente en un circuito cerrado en el que se somete un fluido, gas frigorígeno, a sucesivas situaciones de cambios de estado, mediante compresión y expansión, transmitiendo y absorbiendo el calor producido con el ambiente y el medio a refrigerar. Es el llamado ciclo frigorífico de compresión.
Los equipos o métodos utilizados para conseguir la doble o múltiple compresión puede clasificarse dentro de dos tipos básicos :
a)Doble salto directo: emplea dos compresores conectados en serie para comprimir un solo fluido frigorígeno en dos etapas sucesivas.
b)Doble salto en cascada: emplea dos circuitos de refrigeración independientes con distintos fluidos refrigerante; tienen en común un intercambiador de calor que es el condensador de un circuito y el evaporador del otro.
Razones que obligan al empleo de la doble comprensión:
Las razones económicas derivadas de la capacidad y eficiencia
razones de tipo mecánico que obligan al empleo de la doble compresión.
SISTEMAS DE COMPRESION MULTIPLE
Llamados también sistemas de doble etapa; en el que se hace necesario el enfriamiento del vapor refrigerante entre las diferentes etapas de compresión.
Se hace necesario el enfriamiento del vapor refrigerante entre las diferentes etapas de compresión.
Métodos que se usan comúnmente para enfriar el vapor comprimido y conseguir el enfriamiento del líquido:
(1) el sistema de enfriador intermedio tipo
abierto, con inyección direc ta total en el enfriador intermedio,
(2) el sistema de intercambiador tipo cerrado, con inyección parcial de refrigerante en el enfriador intermedio.
Maquina de doble salto directo con inyeccion parcial de refrigerante en enfriador intermedio,o con enfriador intermedio tipos cerrado
Este sistema obtiene el enfriamiento intermedio de los vapores del compresor de baja presión y el subenfriamiento del fluido condensado por medio de la vaporización parcial del condensado a alta presión.
Máquina de doble salto directo con inyección total de refrigerante en enfriador intermedio o con enfriador intermedio tipo abierto
Estos sistemas reciben también el nombre de instalaciones por inyección total entre fases.
Dimensionamiento del enfriador intermedio
Consideraciones: El vapor no ha e sobrepasar la velocidad de 0.5-1 m/s en el
interior de este El vapor esta 2 segundos en el enfriador intermedio. La altura de este equipo es como mínimo 4 veces su diámetro
Calculo del volumen aproximado:
Se cumple que:
V=A*vv=2.4*(di/2)
V= caudal vol del compresor de alta presión(m3/h)v=velocidad de vapor (m/s)A=Superficie del enfriador intermediodi=diámetro interior
Ejemplo: Hallar el diámetro interno y la altura de un
enfriador intermedio para un volumen de vapor aspirado por el compresor de alta de 1600 m2/h
V=1600 m2/h
La altura será 4 veces el diámetro 4*
Como es superior a 2,5 m, se toma como altura del enfriador 2,5 m, realizándose la toma de vapor (aspiración) para la compresión de alta, a una altura de 2,4.di sobre el nivel de líquido. Es decir, se realizará la toma a 1,87 m sobre el nivel de líquido.
Instalación en cascada Emplea dos o varias instalaciones simples. Utilizan distintos fluidos refrigerantes con
puntos de ebullición progresivamente bajos. No existe contacto físico a través de las
tuberías. Están unidas térmicamente por un cambiador
de calor (compuesto por el evaporador de una instalación simple y el condensador de la otra)
Al condensar el fluido frigorífico de una instalación, evapora a baja temperatura el correspondiente a la instalación vecina, el cual a su vez es condensado a una temperatura mas elevada.
La transposición bien al diagrama entrópico o al entálpico será el de un sistema de refrigeración simple, debiendo utilizarse diferentes diagramas para cada circuito en función del fluido refrigerante que recorra cada uno.
• No presentan estas instalaciones problemas de retorno de aceite de lubricación al compresor, mayores de los existentes en una instalación simple.
• Como principal inconveniente presentan el solapamiento de temperaturas de los fluidos refrige rantes en el condensador, lo que tiende a reducir la eficacia térmica de la instalación.
• Otro inconveniente es el peligro de las grandes presiones que habrá en los condensadores, o incluso en el evaporador de baja en la eventualidad de un paro en el funcionamiento de la instalación.
• Este tipo de instalación se emplea para obtener temperaturas no propias de los productos pere cederos, sino más bien de utilización industrial.
CARACTERISTICAS
Dos o más evaporadores operando a temperaturas distintas y localizados en dife rentes espacios o alojamientos (o algunas veces en el mismo espacio o alojamiento) están conectados al mismo compresor y condensador.
Ventajas que se tienen con este tipo de sistema: el ahorro de espacio Una reducción del coste inicial del equipo.
Un inconveniente obvio del sistema de temperatura múltiple es que, en caso de fallo del compresor, todos los espacios alimentados por el mismo quedarán sin refri geración, causando, por tanto, la pérdida del producto
Sistema de TemperaturaMúltiple:
Figura 3.7 – Instalación frigorífica de temperatura múltiple.
En la figura 3.7 aparece un ejemplo de este sistema con dos evaporadores y un único compresor.
• En este tipo de instalaciones, se dispone una válvula reguladora de presión de evaporación, en la línea de succión de cada uno de los evaporadores que trabajan a mayor temperatura, para mantener la presión y, por tanto, la temperatura de saturación del refrigerante, en estas unidades.
• Una válvula de control, se encuentra situada en la tubería de aspiración del evaporador de temperatura más baja, para evitar que la presión más alta de los evaporadores de mayor temperatura impere en el evaporador de menor temperatura cuando aquéllos requieran refrigeración.
