INTRODUCCION

En estos días, la mejora y optimización de los sistemas de enfriamiento es indispensable, por lo consiguiente se a comenzado diseñar y analizar métodos mecánicos en el cual el sistema se mejore de manera notable. En consecuencia han proliferado sistemas llamados Sistemas de refrigeración en cascada y de doble etapa. Estos métodos permitirán lograr temperaturas mas bajas con la misma maquinaria y equipos existentes que a lo mejor se tendrán que unir a otros componentes, pero en fondo estarán en pro de la mejora y rendimiento y resultados que se quisieren arrojar.

CONCEPTO:El acondicionamiento del aire es el proceso que enfría, limpia y circula el aire, controlando, además, su contenido de humedad. En condiciones ideales logra todo esto de manera simultanea.Como enfriar significa eliminar calor, otro termino utilizado para decir refrigeración, el aire acondicionado, obviamente este tema incluye a la refrigeración.DESARROLLO HISTORICO DEL ACONDICIONAMIENTO DEL AIRENo obstante que la refrigeración, como la conocemos actualmente, data de unos sesenta años, algunos de sus principios fueron conocidos hace tanto como 10 000 años antes de Cristo.Uno de los grandes sistemas para suprimir el calor sin duda fue el de los egipcios. Este se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Las paredes estaban construidas de enormes bloques de piedra, con peso superior de 1000Toneladas y de un lado pulido y el otro áspero.Durante la noche, 3000 esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras a el Desierto del Sáhara. Como la temperatura el en el desierto disminuye notablemente a niveles muy bajos durante el transcurso de la noche, las piedras se enfriaban y justamente antes de que amaneciera los esclavos acarreaban de regreso las piedras al sitio donde el palacio y volvían a colocarlas al sitio donde estas se encontraban. Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26.7°C, mientras que afuera estas se encontraban hasta en los 54°C o mas. Como se mencionó se necesitaban 3000 esclavos para poder efectuar esta labor de acondicionamiento , lo que actualmente se efectúa fácilmente.El acondicionador de aire o clima toma aire del interior de una recamara pasando por tubos que están a baja temperatura estos están enfriados por medio de un liquido que a su vez se enfría por medio del condensador, parte del aire se devuelve a una temperatura menor y parte sale expulsada por el panel trasero del aparato, el termómetro esta en el panel frontal para que cuando pase el aire calcule al temperatura a la que esta el ambiente dentro de la recamara, y así regulando que tan frío y que tanto debe trabajar el compresor y el condensador.Componentes esenciales de un clima:

Abanico. Compresor. Termómetro. Líquido enfriador. Panel o condensador.

REFRIGERACIONRefrigeración, proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable. El almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles, productos farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en frío. La refrigeración evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones químicas no deseadas que pueden tener lugar a temperatura ambiente. El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante.

PRINCIPIOS BASICOS DE REFRIGERACION

TERMODINAMICALa Termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamados Leyes Termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más importante de estas leyes dice: La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro.

CALOREl calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de calor; por ejemplo, la energía mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en tránsito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose de los cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del sol. Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras "más caliente" y "más frío", son sólo términos comparativos. Existe calor a cualquier temperatura arriba de cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero absoluto es el término usado por los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en la cual no existe calor, y que es de -2730C, o sea -4600F. La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base.

TRANSMISION DE CALOR:La segunda ley importante de la termodinámica es aquella según la cual el calor siempre viaja del cuerpo más cálido al cuerpo más frío. El grado de transmisión es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos.El calor puede viajar en tres diferentes formas: Radiación, Conducción y Convección. Radiación es la transmisión de calor por ondas similares a las ondas de luz y a las ondas de radio; un ejemplo de radiación es la transmisión de energía solar a la tierra.

Una persona puede sentir el impacto de las ondas de calor, moviéndose de la sombra a la luz del sol, aun cuando la temperatura del aire a su alrededor sea idéntica en ambos lugares. Hay poca radiación a bajas temperaturas, también cuando la diferencia de temperaturas entre los cuerpos es pequeña, por lo tanto, la radiación tiene poca importancia en el proceso de refrigeración.

Sin embargo, la radiación al espacio o al de un producto refrigerado por agentes exteriores, particularmente el sol, puede ser un factor importante en la carga de refrigeración. Conducción es el flujo de calor a través de una substancia. Para que haya transmisión de calor entre dos cuerpos en esta forma, se requiere contacto físico real. La Conducción es una forma de transmisión de calor sumamente eficiente.

Cualquier mecánico que ha tocado una pieza de metal caliente puede atestiguarlo. Convección es el flujo de calor por medio de un fluido, que puede ser un gas o un liquido, generalmente agua o aire. El aire puede ser calentado en un horno y después descargado en el cuarto donde se encuentran los objetos que deben ser calentados por convección.La aplicación típica de refrigeración es una combinación de los tres procesos citados anteriormente. La transmisión de calor no puede tener lugar sin que exista una diferencia de temperatura.

TEMPERATURALa temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. En algunos países, la temperatura se mide en Grados Fahrenheit, pero en nuestro país, y generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamada Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0°C o a 320°F y hierve a 100°C o a 2120°F. En la escala Fahrenheit, la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de

temperatura está dividida en 100 incrementos iguales llamados grados Centígrados.

http://www.monografias.com/trabajos/aireacondi/aireacondi.shtml#ixzz3ncGkjWmf

1.1 EL CICLO MECANICO DE REFRIGERACIÓNLa refrigeración mecánica se usa para remover calor de un medio más frío y expulsarlo a un medio más calido usando las propiedades de calor latente del refrigerante. El sistema de refrigeración debe proporcionar una temperatura de refrigerante inferior a la temperatura del medio que se va a enfriar y elevar la temperatura del refrigerante a un nivel superior a la temperatura del medio que se utiliza para la expulsión. Los elementos básicos que se requieren para la refrigeración mecánica son: el compresor, el evaporador, el condensador, y la válvula de expansión termostática.Un esquema del ciclo de refrigeración se ilustra en la siguiente gráfica.

Siguiendo el diagrama: si el líquido refrigerante en el punto A absorbe calor a presión constante, comenzará a ebullir. La evaporación tiene lugar sin que haya cambios de temperatura. A medida que se añade calor, la entalpía aumenta y entra en un estado de mezcla de vapor y líquido (región húmeda). En el punto B , la mezcla se convierte en vapor saturado, cualquier cantidad de calor que se le aplique a presión constante hace que el refrigerante entre en la regiónsobrecalentada indicada por el punto C . En la evaporación, el refrigerante entra en el evaporador como una mezcla de de vapor y líquido en el punto D , entra en el evaporador dosificándose a través de la válvula de expansión termostática, que disminuye su presión y por consiguiente su temperatura según el diagrama delpunto J al D . Al absorber calor en el evaporador el refrigerante empieza a ebullir hasta estar completamente vapor llegando al punto E ; sin embargo, se le aplica calor adicional hasta llegar al punto F esto es con el fin de evitar la condensación de líquido en la línea de gas para evitar daños en el compresor. Además, la válvula de expansión requiere de este calor adicional para funcionar adecuadamente.

Después de que el refrigerante se encuentra como vapor sobrecalentado punto F entra en el compresor para comprimirse y aumentar su presión, durante este proceso el refrigerante absorbe calor hasta lograr la entalpía y presión del punto H . El gas en estas condiciones pasa por el condensador donde se le retira el calor absorbido en la etapa de compresión y es expulsado al medio ambiente (o agua). La condensación ocurre a temperatura constante del punto H al punto J en donde es condensado en líquido totalmente y permanece a presión constante. Y de allí continua el líquido a través de la tubería hasta la válvula de expansión nuevamente para iniciar el ciclo.

Hay otros elementos adicionales que puede tener el sistema y se instalan en sistemas de aire acondicionado y refrigeración sólo con el fin de tener mayor control como lo es el filtro secador que es el encargado de retener la humedad que pueda contener el sistema. La mirilla o visor de líquido nos da la indicación de presencia de humedad en el sistema y se puede ver si la cantidad de refrigerante en el sistema es el adecuado. Otro elemento adicional es el tanque acumulador delíquido que por lo general se instala en los sistemas de refrigeración con el fin de garantizar y tener una cantidad de refrigerante remanente o de reserva en el sistema.

1.2 CICLO DE CARNOT

Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabática

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabática

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

La presión, volumen de cada uno de los vértices. El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los

procesos. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.

Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.

Variables A B C D

Presión p (atm) pA      

Volumen v (litros) vA vB    

Temperatura T (K) T1 T1 T2 T2

 

Las etapas del ciclo

Para obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadro-resumen de las transformaciones termodinámicas.

1. Transformación A->B (isoterma)

La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal 

Variación de energía interna 

Trabajo 

Calor  

2. Transformación B->C (adiabática)

La ecuación de estado adiabática es   o bien,  . Se

despeja vc de la ecuación de la adiabática   . Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas

ideal.  .

Calor 

Variación de energía interna 

Trabajo  

3. Transformación C->D (isoterma)

Variación de energía interna 

Trabajo 

Calor 

 

4. Transformación D-> A (adiabática)

Se despeja vD de la ecuación de la adiabática  . Conocido vD y T2 se

obtiene pD, a partir de la ecuación del gas ideal.  .

Calor 

Variación de energía interna 

Trabajo 

 

El ciclo completo

Variación de energía interna

En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero

Trabajo

Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas, la relación entre los volúmenes de los

vértices  es  , lo que nos conduce a la expresión final para el trabajo.

Calor

En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 ya que vB>vA de modo que

En la isoterma T2 se cede calor Q<0 ya que vD<vC

Rendimiento del ciclo

Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido

 

Motor y frigorífico

Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1del foco caliente a la temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T2.

En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo  y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.

La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente.

En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera.

 

Teoremas de Carnot

1. No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes

térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre

esas mismas fuentes térmicas.

Para demostrarlo supondremos que no se cumple el teorema, y se verá que

el no cumplimiento transgrede el segundo principio de la termodinámica.

Tenemos pues dos máquinas, una llamada X y otra, de Carnot, R,

operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor

de la caliente. Como suponemos que  , y por definición

, donde   

y   denotan el trabajo producido y el calor cedido a la fuente fría

respectivamente, y los subíndices la máquina a la que se refieren.

Como R es reversible, se le puede hacer funcionar como máquina

frigorífica. Como  , la máquina X puede suministrar a R el

trabajo   que necesita para funcionar como máquina frigorífica, y X

producirá un trabajo neto  . Al funcionar en sentido inverso, R

está absorbiendo calor   de la fuente fría y está cediendo calor   a la

caliente.

El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando

un trabajo   e intercambiando un calor   con una

única fuente térmica, lo cual va en contra del segundo principio de la

termodinámica. Por lo tanto:

2. Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes

térmicas tienen el mismo rendimiento.

Igual que antes, suponemos que no se cumple el teorema y veremos que

se violará el segundo principio. Sean R1 y R2 dos máquinas reversibles,

operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor

de la caliente, con distintos rendimientos. Si es R1 la de menor rendimiento,

entonces  .

Invirtiendo R1, la máquina R2 puede suministrale el trabajo   para que

trabaje como máquina frigorífica, y R2 producirá un trabajo  .

El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando

un trabajo   e intercambiando un calor   con una

única fuente térmica, lo cual va en contra de la segunda ley. Por lo tanto:

Rendimiento

A partir del segundo teorema de Carnot se puede decir que, como dos máquinas

reversibles tienen el mismo rendimiento, éste será independiente de la sustancia

de trabajo de las máquinas, las propiedades o la forma en la que se realice el

ciclo. Tan solo dependerá de las temperaturas de las fuentes entre las que trabaje.

Si tenemos una máquina que trabaja entre fuentes a temperatura T1 y T2, el

rendimiento será una función de las dos como variables:

Por lo tanto, el cociente entre los calores transferidos es función de las

temperaturas de las fuentes. Nótese que como, por la segunda ley de la

termodinámica, el rendimiento nunca pude ser igual a la unidad, la función f está

siempre definida.

Consideremos ahora tres máquinas que trabajan entre fuentes a temperaturas

tales que  . La primera máquina trabaja entre las fuentes 1 y 2, la

segunda entre 1 y 3, y la tercera entre 3 y 2, de modo que desde cada fuente se

intercambia el mismo calor con las máquinas que actúan sobre ella. Es decir, tanto

la primera máquina como la segunda absorben un calor Q1, la segunda y la tercera

ceden y absorben Q2 respectivamente y la primera y la tercera ceden Q3. De la

ecuación anterior podemos poner, aplicada a cada máquina:

Aplicando relaciones matemáticas:

Como el primer miembro es función solamente de T1 y T2, también lo será el

segundo miembro, independientemente de T3. Para que eso se cumpla f debe ser

de la forma

De las distintas funciones que satisfacen esa condición, la más sencilla es la

propuesta por Kelvin,  , con lo que el cociente entre calores queda

y trasladando este cociente a la definición de rendimiento:

Otra forma de llegar a este resultado es por medio de la entropía, definida

como  . De ahí se puede sacar los calores transferidos en los

procesos 1 → 2 y 3 → 4:

Como puede observarse, el calor transferido con la primera fuente es positivo y

con la segunda negativo, por el convenio de signos adoptado.

Teniendo en cuenta que para calcular el rendimiento de un ciclo se utilizan

los valores absolutos de los trabajos y calores,

tenemos finalmente el resultado querido:

Ciclo Real

Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por

rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden

reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos

disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las

distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es

cuasiestático si la desviación del equilibrio termodinámico es a lo sumo

infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho mayor que

el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio

hasta que se recupera). Por ejemplo, si la velocidad con la que se desplaza un

émbolo es pequeña comparada con la del sonido del gas, se puede considerar

que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de relajación

mecánico es del orden de V1/3/a (donde V es el volumen del cilindro

y a la velocidad del sonido), tiempo de propagación de las ondas de presión,

mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso, V1/3/w (donde w es

la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.

Si se hace que los procesos adiabáticos del ciclo sean lentos para minimizar las

irreversibilidades se hace imposible frenar la transferencia de calor. Como las

paredes reales del sistema no pueden ser completamente adiabáticas, el

aislamiento térmico es imposible, sobre todo si el tiempo característico del proceso

es largo. Además, en los procesos isotermos del ciclo existen irreversibilidades

inherentes a la transferencia de calor. Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo

real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la eficiencia será

menor que un ciclo ideal.

SISTEMAS DE COMPRESIÓN DE VAPOR EN CASCADA Y EN ETAPAS MÚLTIPLES

Existen dos variaciones del ciclo básico de refrigeración por compresión de vapor. La primera es el ciclo encascada, el cual permite el empleo de un ciclo de compresión d vapor cuando la diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es muy grande. La segunda variación incluye el uso de compresión en etapas múltiples con interenfriamiento, lo que reduce el trabajo de compresión.

CICLO EN CASCADA

Existe discusión acerca de los métodos para obtener temperaturas extremadamente bajas (criogénicas) Mediante una combinación de compresión de vapor y estrangulamiento. Esos métodos son valiosos e indispensables para la licuefacción y solidificación de los gases. No obstante, existen aplicaciones industriales que exigen temperaturas solo moderadamente bajas, por lo que se necesitan sistemas menos complicados.

Esto es especialmente cierto cuando se desean temperaturas en el intervalo de -25 a -75 ºC (-10 a -100 ºF).

En general, por desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresión de vapor par obtener estas temperaturas moderadamente bajas. 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.

Para superar esta dificultad sin abandonar la compresión de vapor, emplea un sistema en cascada. 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.

Aun cuando ahí se muestran solo dos unidades, el empleo de tres o cuatro unidades en serie es practico, en caso necesario. Normalmente se utiliza un refrigerante distinto en cada uno de los ciclos, con el objeto de satisfacer los requisitos de cada intervalo de temperatura y presión. Al elegir los dos refrigerantes, por ejemplo, es importante que la temperatura del estado triple del fluido en el ciclo B sea menor que la temperatura crítica del fluido en el ciclo A.. Esquema del equipo y diagrama Ts para un ciclo de refrigeración en cascada.

En las instalaciones se muestra el diagrama Ts de un sistema ideal en cascada doble que emplea el mismo refrigerante en cada ciclo. (Si se utilizan dos refrigerantes distintos en un sistema en cascada, deben utilizarse También dos diagramas Ts diferentes). A pesar de no ser la práctica común, como se hizo ya la observación, el empleo del mismo refrigerante en cada ciclo permite examinar las virtudes de un sistema en cascada. Las posiciones de los ciclos A (1-2-3-4) y B (5-6-7-8) se indican con claridad en la figura. En general los gastos másicos de los refrigerantes en los dos ciclos no son los mismos, sean los refrigerantes iguales o

distintos. El gasto másico mA esta determinado por las toneladas de refrigeración requeridas en el refrigerador del ciclo A. Además la rapidez de transferencia de calor desde el condensador del ciclo A debe ser igual a la rapidez de transferencia de calor del fluido en el evaporador del ciclo B, si el intercambiador de calor de todo el conjunto está bien aislado. Un balance de energía para el intercambiador de calor que liga el condensador con el evaporador revela que por tanto, el cociente de los gastos másicos en cada ciclo está determinado por los cambios de entalpía de cada fluido a su paso por el intercambiador de calor.

Si fuese posible emplear un solo ciclo de refrigeración en todo el intervalo de temperaturas, se representaría mediante el ciclo 1-a-7-b-1 en la figura 5. El diagrama Ts hace evidente dos hechos importantes. En primer Lugar, para el ciclo único el trabajo del compresor aumenta en una cantidad igual al área 2-a-6-5, en comparación con el del sistema en cascada. En segundo lugar, hay una disminución en la capacidad de Refrigeración, cuando se utiliza una sola unidad para el mismo gasto másico del evaporador de temperatura Baja. Esta pérdida se representa mediante el área 4-b-d-c en el diagrama Ts. Estos dos hechos darían por resultado un COP mayor par el sistema en cascada en comparación con el del ciclo individual.

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, mas 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 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 mas optimo 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.

Ciclo de refrigeración en doble etapa:

En el ciclo de refrigeración de doble etapa se requiere la presencia en la instalación dos compresores que marquen y hagan efectiva la función de la doble etapa. Este sistema tiene la ventaja de disminuir el sobrecalentamiento del refrigerante que se esta utilizando dentro del sistema de enfriamiento. Al reducir este fenómeno en el proceso de descarga del compresor, la temperatura que gano el fluido refrigerante en el proceso adiabático de compresión será menor, optimizando así en plenitud el proceso frigorífico.

Para la construcción de la instalación de refrigeración de doble etapa se requieren otros componentes en el cual son propios de este sistema. Uno de ellos es un estanque en el cual conecta la succión y la descarga de ambos compresores de tal forma que se mantenga el circuito cerrado de circulación de refrigerante. De ese modo, el compresor proveniente desde la línea de succión del evaporador del sistema descarga el fluido de refrigerante saturado hacia el estanque de tal modo que el otro compresor del sistema descarga el líquido a alta presión dentro del estanque. Al producirse esta combinación de diferentes presiones dentro de este estanque se produce una mejora en el coeficiente de compresión en el sistema ya que los volúmenes que son succionados desde el estanque hacia el compresor son mucho mayores y así generando mucho mas valores masicos de refrigerante en camino hacia el condensador.

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.

Bibliografía

Refrigeración y acondicionamiento de aire, W. F Stoecker ,editorial mcGraw Hill

Sistema de refrigeración por absorción

Las técnicas de generación de frío más importantes son aquellas que emplean los ciclos de: Compresión mecánica de vapor.

Compresión por absorción.

Las diferencias fundamentales son: El ciclo de vapor consume energía mecánica, mientras que el ciclo de

absorción consume energía térmica. En igualdad de condiciones, por cada unidad de efecto refrigerante, se

requiere más energía calorífica en el sistema de absorción que energía mecánica en el sistema de compresión de vapor.

El precio de la energía mecánica es superior al de la energía térmica, que a menudo proviene de una fuente residual prácticamente gratuita.

Ventajas de los ciclos de absorción vs. compresión

  Absorción Compresión

Consumo eléctrico X  

Costo inicial   X

Desgaste y mantenimiento X  

Ruido X  

Medio ambiente X  

Rendimiento del Ciclo de Absorción

El ciclo de absorción requiere poco consumo de energía mecánica para el bombeo entre el absorbedor y el generador.

Precisa energía térmica en cantidad considerable para producir la destilación en el generador.

El rendimiento de un ciclo de absorción se denomina COP, coeficiente de operación, y se define como:

Rendimientos de los sistemas de absorción

Sistema COP

Agua / BrLi 0,7

NH2 / Agua 0,4-0,5

2.2 Características de los Refrigerantes y Absorbentes

Los refrigerantes y absorbentes presentan las siguientes propiedades:

Propiedades de refrigerantes y absorbentes

 R-717Amoniaco

R-718Agua

BrLiSal diluida

Estabilidad química Media Alta Alta

Toxicidad Alta Nula Baja

Disponibilidad Alta Alta Alta

Efectos contaminantes Bajos Nulos Nulos

Calor latente vaporizado 1,25J/kh 2,5MJ/kg N/A

Coste Medio Bajo Medio

Ventajas e inconvenientes de las sustancias en sistemas de absorción

Refrigerante / Absorbente

Ventajas Inconvenientes

Agua / LiBr

El refrigerante agua tiene una alta capacidad calorífica.La solución de bromuro de litio no es volátil.Las sustancias no son tóxicas ni inflamables.

El sistema no puede enfriar a temperaturas menores del punto de congelación del agua.El bromuro de litio es solvente en agua solo limitadamente.El vacío demanda una alta impermeabilidad del sistema.

NH / Agua

El refrigerante amoniaco tiene una alta capacidad calorífica.Aplicaciones de temperaturas muy bajas, hasta -60ºC.Propiedades muy buenas de transferencia de calor y masa.

Presión muy alta del refrigerante (tuberías más gruesas).Volatilidad del solvente (es necesaria una rectificación).Toxicidad del amoniaco.

Maquina Frigorífica de absorción

Las máquinas de absorción producen frío a partir de calor residual de algún proceso de fabricación.

El calor producido en las plantas de cogeneración y el calor residual de los motores térmicos, son fuentes térmicas que pueden ser utilizadas para accionar las máquinas de absorción.Los sistemas de absorción utilizan como refrigerante el amoníaco, en refrigeración y aire acondicionado, y el agua, sólo en aire acondicionado.Aunque se han estudiado diversas combinaciones de refrigerante y agente absorbente, en la práctica, en la industria sólo se utilizan sistemas a base de amoniaco-agua o agua-bromuro de litio.La máquina de absorción es cilíndrica y de una sola pieza para asegurar una alta hermeticidad de todo el conjunto.

Las máquinas de absorción trabajan a presiones muy por debajo de la atmosférica, en depresión.3.2 Elementos Constitutivos del Ciclo de Absorción

La máquina de absorción se divide en cuatro partes principales, que son:

1. Evaporador

Se produce la evaporación del agua (refrigerante). Esto permite absorber el calor latente de evaporación del sistema que se encuentra en el interior de los tubos, refrigerando ésta hasta un mínimo de 4,5ºC.

2. Absorbedor

Se produce la absorción de vapor de agua por parte de la disolución de sal concentrada de Bromuro de Litio.

3. Concentrador o generador

Se produce la evaporación mediante una aportación térmica suficiente, procedente de calores residuales. Con esta evaporación se produce la separación del refrigerante (agua) de la solución diluida de Bromuro de Litio. El refrigerante en forma de vapor pasa al condensador, mientras que la solución caliente y concentrada de bromuro de litio es bombeada hasta los pulverizadores del absorbedor.

4. Condensador

El condensador es un intercambiador de calor donde se produce la condensación del refrigerante (agua) procedente de la evaporación producida en el generador. Este refrigerante condensado está listo para ser pulverizado otra vez sobre los tubos del intercambiador de la sección del evaporador, cerrando de esta manera el ciclo de absorción.

Las principales ventajas e inconvenientes de los sistemas de refrigeración por absorción son:

4.1 Ventajas

Inexistencia de elementos móviles.

Alta fiabilidad.

Dilatado número de horas de funcionamiento, sin revisiones ni averías.

Escaso mantenimiento y pocos controles.

Menores costes de explotación y reducción de la demanda punta de electricidad.

Fácil integración en procesos industriales.

Uso de refrigerantes no agresivos con la capa de ozono.

Imposibilidad total de descargas de gases nocivos o peligros hacia la atmósfera.

4.2 Inconvenientes

El precio del sistema de absorción es mayor que el de un sistema convencional, aunque se amortiza más rápidamente por su bajo consumo de energía y mantenimiento.

Rendimiento menor que en el método por compresión (0,8 frente a 5,5), sin embargo en algunos casos compensa el que la energía proveniente de una fuente calórica sea más económica o incluso residual.

La cristalización, aunque es un problema que puede resolverse sin sustitución de elementos, únicamente con mano de obra y en cuestión de pocas horas.

Los aparatos son más voluminosos y requieren inmovilidad.

Las máquinas de absorción tienen unas aplicaciones muy determinadas en aquellos proyectos en los que existe la posibilidad de obtener efluentes térmicos gratuitos.

En caso contrario, los estudios de viabilidad demuestran periodos de amortización más largos que las máquinas de compresión convencionales, ya que los COP obtenidos en máquinas de absorción sólo son rentables si la energía térmica de calentamiento no tiene coste económico ninguno.

Los tres grandes grupos de usuarios en el mercado del frío industrial español son:

Industria agroalimentaria.

Aplicaciones industriales no alimentarias.

Transporte refrigerado.

Existen tres tipos principales de instalación con obtención de fluentes térmicos residuales o gratuitos en los que se recomienda mayoritariamente la instalación de máquinas de absorción.

5.1 Instalaciones con Cogeneración para Producción de Agua Caliente y Motores de Combustión

La máquina de absorción puede ser alimentada con energía térmica procedente de los motores de combustión.

Esta energía se obtiene de la recuperación del calor de los humos procedentes de la combustión y del agua caliente de refrigeración de las camisas del motor.

5.2 Instalaciones con Cogeneración para Producción de Vapor y Calderas de Post Combustión

En las calderas de postcombustión se obtiene vapor a distintas presiones que puede utilizarse para las máquinas de absorción. De esta manera se puede obtener un rendimiento del 29% de la potencia aportada en combustión como potencia frigorífica disponible.

Las instalaciones de cogeneración mediante turbina de gas y ciclo combinado con ciclo de vapor exigen que el consumo eléctrico sea constante, ya que la turbina alcanza sus máximos rendimientos a plena carga, siendo desaconsejable su utilización para instalaciones que van a ser utilizadas frecuentemente a carga parcial.

5.3 Instalaciones con Energía Solar

Los paneles solares producen agua caliente a una temperatura aproximada de 80ºC. Mediante un intercambiador de calor, el circuito de los paneles cede su energía al agua almacenada en un tanque de acumulación.

La máquina de absorción se acciona con el agua caliente del tanque, y produce frío que es distribuido al local a través de los fan-coils.

Aislamiento

El aislamiento es el factor más importante, las pérdidas mínimas se obtendrían en una envolvente cúbica.

Cuanto mayor sea la altura de las cámaras, menor será la superficie aislada.

El tamaño en planta de los bloques de cámaras adyacentes conviene que sea el mayor posible.

Un valor medio aceptable es de 2,2m3/m2, para almacenes de volumen importante.

6.2 Sistemas de Producción

Compresores

Cambiar los compresores de tipo hermético por otros de tipo abierto.

Considerar la posible aplicación de compresores de tornillo, conjuntamente con compresores alternativos, para ajustar mejor la capacidad del sistema a las necesidades a carga parcial.

Emplear sistemas de compresión en doble escalón, con refrigeración intermedia con separación de líquido.

En plantas de funcionamiento de temporada deben disponerse un número de compresores que hagan frente al enfriamiento masivo de fruta en verano, y que permitan un funcionamiento económico en invierno.

Condensadores

Ampliar la capacidad de los condensadores.

Permitir que la presión de condensación descienda tan bajo como sea posible.

Sustitución de condensadores húmedos por condensadores por aire, en el caso de climas templados y húmedos.

Emplear un tratamiento de agua adecuado para evitar incrustaciones y ensuciamiento en los condensadores.

Alumbrado

En las cámaras de conservación y congelación, cambiar el sistema de alumbrado de incandescencia a fluorescencia.

Utilizar los sistemas de alumbrado de las cámaras de conservación solamente cuando sea estrictamente necesario.

Motores

Emplear motores eléctricos dotados de sistemas de regulación de la velocidad.

Emplear motores eléctricos ajustados a las necesidades.

Bombas

En las bombas centrifugas ajustar el tamaño del rodete a las necesidades reales de presión.

En los sistemas de bombeo, mantener limpios los filtros.Mantenimiento

Revisar la selección de las válvulas termostáticas de expansión, para que trabajen entre límites de presión más próximos.

Revisar el aislamiento de tuberías y equipos, valorando adecuadamente la importancia de la barrera de vapor como posible fuente de pérdidas.

Mantener limpios los filtros de las líneas de refrigerante líquido.

Reparar las fugas de agua o salmuera.

Comprobar y ajustar periódicamente la purga continua en las torres, para evitar pérdidas de agua y productos químicos.

Establecer un buen programa de mantenimiento preventivo.

Comprobar, ajustar y equilibrar las instalaciones.

Instalación

Favorecer la instalación de equipos centralizados.

Valorar la conveniencia de los sistemas de enfriamiento rápido, desde el punto de vista energético.

En cuanto a la congelación por aire, cuyo consumo energético es el más importante, debe valorarse sobre todo el consumo de ventiladores, que es un factor importante que debe tratar de reducirse.

Considerar la posibilidad de utilizar las horas nocturnas para la generación de frío.

En el caso de tener producciones de frío a distintas temperaturas, se instalarán circuitos independientes a cada una de ellas.

Considerar la posibilidad de elevar la temperatura de evaporación hasta valores compatibles con la calidad de los productos, o con los procesos de enfriamiento.

Si se posee una central generadora de vapor a alta presión, estudiar laposible utilización de turbinas de vapor para accionar los equipos mecánicos.

En el tratamiento de aguas, no utilizar mayor cantidad de productos químicos que los necesarios.

6.3 Regulación y Control

Comprobar con frecuencia el calibrado de los aparatos de regulación.

Automatizar las instalaciones con control manual.

Mantener los aparatos de control de temperatura fuera del alcance de personas no autorizadas.

En las cámaras de conservación, comprobar que los relojes programadores funcionan correctamente y mantienen los ventiladores parados, cuando se elimina el agua de desescarche, y se enfrían los evaporadores.

En los evaporadores con desescarche eléctrico, montar un termostato de control de desconexión de las resistencias.

Calculo de potencia frigorífica

EJEMPLO: Una empresa cuya actividad consiste en el almacenamiento y distribución de productos alimenticios perecederos como son las naranjas, dispone para ello de una cámara frigorífica para su conservación, cuyas características son:

a) Temperatura exterior: Para saber la temperatura exterior, debes tomar la temperatura exterior y la humedad relativa de proyecto según la norma UNE-100014:1984. En este ejemplo tomamos Temperatura exterior: 26º C y Humedad relativa: 68 %

b) Dimensiones, Temperatura y humedad relativa: En las siguiente tabla se muestran la temperatura y la humedad relativa que debe de tener la cámara frigorífica.

CÁMARA FRIGORÍFICA 5

Producto

Temperatura Humedad RelativaLarg

oAncho Alto

Naranjas + 1 º C 85/90% 50 m 35 m 12 m

c) Temperatura de entrada del producto: El producto llega ya preenfriado con transporte de camiones refrigerados a una temperatura de 10 ºC.

d) Renovación del aire Teniendo en cuenta las dimensiones de la cámara y de la cantidad total de almacenamiento de producto, se adopta realizar una renovación de aire diaria.

e) Aislamiento de paredes, techo y techo: El coeficiente global de transmisión de las paredes, techo y suelo se considera iguales para cada uno de ellos y

cuyo valor es de 0,197 W /(m2 K ) .

f) Ubicación de la cámara: Cada una de las paredes de color claro tiene la siguiente disposición:

La pared Norte da al exterior: 26 º C y HR = 68%La pared Sur da al pasillo-antecámara: 4 º CLa pared Este da a una cámara de congelación a -21 ºC.La pared Oeste da al pasillo de acceso a las oficinas, cuya temperatura es de 25 ºC.

g) Actividad en la cámara: Una persona entra cada día durante 3 horas.

h) Iluminación de la cámara: Esta iluminada con 40 lámparas de vapor de mercurio de 400 W que funcionaran un tiempo medio de 8 horas.

i) Maquinaria de transporte de palets: Dispone de una carretilla con motor de 10 kW que trabaja durante 4 horas.

j) Horas de funcionamiento de la maquina frigorífica: 18 horas de funcionamiento, tendiendo en cuenta las paradas y los desescarches.

k) Densidad de estiba: La capacidad de almacenamiento es de 56 kg/m3.

l) Embalaje: Las naranjas están almacenadas en cajas de madera con una masa aproximada del 2% de la masa del producto.

Se desea conocer la potencia que debe proporcionar el equipo frigorífico.

SOLUCCION:

a) Aportaciones de calor a través de las paredes, suelo y techo (Q1)

El cálculo del valor de esta partida la haremos para cada superficie por separado, sumándolas después.

Pared Este: QpNORTE=A⋅K⋅(Te−Ti )=600⋅0 ,197⋅(26−1)=2995 W

Pared Oste: QpOESTE=A⋅K⋅(Te−Ti )=420⋅0 ,197⋅(25−1)=1986 W

Pared Este: QpESTE=A⋅K⋅(Te−Ti)=420⋅0 ,197⋅(−21−1 )=−1820 W

Pared Este: QpSUR=A⋅K⋅(Te−Ti)=600⋅0 ,197⋅(4−1 )=355 W

Techo: QpTECHO=A⋅K⋅(Te−Ti)=(50⋅25 )⋅0 ,197⋅(23 ,2−1)=5467 W

Suelo: QpSUELO=A⋅K⋅(Te−Ti )=(50⋅25 )⋅0 ,19⋅(15−1)=3325 W

En resumen la aportación de calor a través de las paredes, techo y suelo será:

Q1 = 2995 + 1986 + (-1820) + 355 + 5467 + 3325 = 12308 W

b) Enfriamiento del aire de renovación (Q2)

Una importante cantidad de frigorías se dedican al enfriamiento y desecación del aire que entra en la cámara. En el recinto refrigerado debe existir ventilación suficiente para sustituir periódicamente el aire viciado por aire fresco. Esta ventilación se realiza principalmente con el uso de las puertas de la cámara.

En nuestro caso, debe tenerse en cuenta esta partida para la cámara 5 (conservación) ya que en cámaras de congelación no hay aire de renovación.

Q=NVv f

(ha−hf ) kJ

Donde:

Q = Cantidad de calor aportada por el aire renovado (kJ)N = numero de renovaciones del aire cada díaV = Volumen de la cámara frigorífica (m3)Vf = Volumen especifico (m3/kg)ha = Entalpía del aire exterior de la cámara (kJ/kg) que hallaremos en el diagrama psicrométricohf = Entalpía del aire interior de la cámara (kJ/kg) que hallaremos en el diagrama psicrométrico

Como el número de renovaciones del aire al día es de una tendremos:

Q2=1210000 ,78

(62−10 )=1400 kJ /dia

Q2=1400kJdia

⋅ 1 dia24⋅3600 s

=162 W

c) Calor aportado por las personas (Q3)

El calor aportado por el personal que almacena o manipula los productos dentro de la cámara, sobretodo si realiza un trabajo intenso, varía también en función de las características de cada individuo y de la temperatura en la cámara:

Obtenemos de la tabla 1 el valor del calor aportado por una persona según la temperatura de la cámara y multiplicamos este dato por el número de personas que proveemos en el espacio refrigerado y por el tiempo de promedio de permanencia (3 horas) al día, según la expresión:

Q3=N⋅Pp⋅t kJ

Q3=1⋅260⋅3⋅3600=2808 kJ /diaTabla 1: Calor aportado por personas según temperatura.

La potencia aportada será:

Q3=2808kJdía

⋅ 1 día24⋅3600 s

=33 W

d) Aportación de calor debida al alumbrado (Q4)

En nuestro caso, utilizamos lámparas de vapor de mercurio con bombillas de 400 W para la iluminación de las cámaras. Por lo tanto, tendremos que aplicar el factor de 1.3 al tratarse lámparas de halogenuros y tener una parte de potencia reactiva. Para calcular esta aportación de calor debido a la iluminación utilizaremos la siguiente expresión:

Q4= f⋅P f⋅t f=1,3⋅16⋅8⋅3600=599040 kJ /dia

La potencia aportada será: Q4=599040

kJdía

⋅ 1 día24⋅3600 s

=6,9 kW

e) Calor aportado por los motores de los ventiladores (Q5)

La expresión que aplicamos es: Q5=∑ Pm⋅t

Q5=( 4⋅3⋅0 ,64 )⋅16⋅3600=442368 kJ /día

La potencia aportada será: Q5=442368

kJdía

⋅ 1 dia24⋅3600

=5,1 kW

f) Calor aportado por las máquinas (Qp6)

Q6=Pm⋅t⋅0,6 (14) kJ/día

Q6=10⋅(4⋅3600 )⋅0,6=86400 kJ /día

La potencia que aporta será: Q6=86400

kJdía

⋅ 1 dia24⋅3600

=1 kW

En resumen la potencia que deberá generar la máquina frigorífica para compensar las aportaciones caloríficas propias de la instalación, será:

QINSTALACIÓN = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 12308 + 162 + 33 + 6900 + 5100 + 1000 = 25503 W

g) Enfriamiento de la mercancía (Qu1)

Esta partida contempla el enfriamiento del producto desde la temperatura de entrada en la cámara a 10 ºC hasta la temperatura final 1 ºC, por encima del punto de congelación. La masa de la mercancía que entra diariamente a la cámara la determinamos por la expresión:

x= MdM donde la masa total M que cabe en la cámara se halla con:

M=Volumen × densidad estiba

M=21000 m3⋅56 kg

m3=1176000 kg

La carga que entra diariamente en la cámara será:

Md=x⋅M=0,1⋅1176000=117600 kg

Por lo tanto la cantidad de calor necesaria para enfriar la mercancía que entra a la cámara será:

Qu1=m⋅c p⋅(T e−T f )

Qu1=117600⋅3,8⋅(10−1)=4021920 kJ /dia

La potencia necesaria que debe proporcionar la maquina frigorífica será:

Qu1=4021920kJdía

⋅ 1 dia24⋅3600

=46 ,6 kW

h) Calor de respiración (Qu2)

Las frutas y verduras continúan su proceso de maduración en el interior de las cámaras, aportando un calor adicional que se calcula mediante la expresión:

Qu3=Lr⋅m Donde:

Lr es el calor de respiración de las naranjas 1,68 kJ / (kg día). Así pues, el calor de respiración con la cámara llena de naranjas será:

Qu3=1 ,68⋅1176000=1975680 kJ /día

La potencia frigorífica necesaria será: Qu1=1975680

kJdía

⋅ 1 dia24⋅3600

=22 ,9 kW

i) Enfriamiento del embalaje (Qe)

Esta partida contabiliza el frío empleado en reducir la temperatura de los envoltorios o envases en que se almacena el producto, si no se encuentra a granel. En nuestro caso, las naranjas están almacenadas en cajas de madera. La expresión que nos permite calcular esta partida es:

Qe=me⋅ce⋅(T e−T f )

Sustituyendo los valores, considerando la masa del embalaje el 2% del masa total del producto y el calor especifico de la madera de 1,37 kJ/(kg ºC) tendremos:

Qe=(0 ,02⋅1176000)⋅1 ,37⋅(10−1)=290002 kJ /día

La potencia frigorífica necesaria será: Qe=290002 kJ

día⋅ 1 dia24⋅3600

=3,4 kW

.En resumen la potencia que deberá generar la máquina frigorífica para refrigerar la mercancía será:

Qu = Qu1 + Qu2 + Qe = 46,6 + 22,9 + 3,4 = 72,9 kW

Así pues, la carga térmica total de la instalación frigorífica será:

Q = QINSTALACIÓN + QPRODUCTOS = 25503 + 72900 = 98403 W = 98,4 kW

Como hemos comentado en este apartado, es práctica común agregar 10% al valor de la carga térmica total como un factor de seguridad. Además, ha de tenerse en cuenta las horas de funcionamiento diario previstas de la máquina frigorífica. Según esto, la potencia nominal que ha de tener la maquina frigorífica se calcula por la expresión:

QFrigo=QT24 horas

tF

QFRIGO=1,1⋅98 ,4⋅2418

=144 ,3 kW