Guía básica para diseñar y analizar sistemas de refrigeración (1ª PARTE)

Nuevamente hablamos de las aplicaciones de refrigeración centrándonos como siempre en la mejora de los procesos. En esta ocasión nos centramos en la descripción de las consideraciones a tener en cuenta en el diseño de sistemas de refrigeración mecánica.

Cierto es que hay ya muchos programas y calculadores que sirven para diseñar aplicaciones básicas. Pero si diseñamos sistemas un poco complejos, trabajamos en condiciones o con productos menos habituales no nos servirá el software convencional. Incluso en las aplicaciones más cotidianas, si queremos aumentar el rendimiento de los procesos es importante conocer con más detalle cómo se calcula exactamente cada variable y qué influencia tiene cada una en el rendimiento del proceso. Si no lo hacemos así el sistema frigorífico funcionará mal o será muy ineficiente.

También tenemos muchas cámaras modulares completamente diseñadas por el suministrador pero generalmente serán bastante más caras y no valorarán exactamente las necesidades de cada aplicación. Construirnos nuestro propio sistema de refrigeración nos permite obtener una solución mucho más adecuada a las necesidades reales.

El diseño de aplicaciones frigoríficas integradas en los procesos industriales, la refrigeración en lugares con dificultades para obtener la energía, y las condiciones de temperatura, humedad y altitud extrema son situaciones de diseño que requieren un análisis más detallado. Tendremos que hacernos nuestras propias herramientas de cálculo y simular el comportamiento del sistema, esa es la forma más efectiva.

Sobre las variables de diseño que inciden en las aplicaciones frigoríficas vamos a hablar con bastante detalle en varios artículos.

Uno de los problemas que nos encontramos al usar este tipo de aplicaciones es que las unidades que encontramos en la bibliografía usan unidades americanas y SI. A veces no es fácil hacer las conversiones. Recomendamos manejar los dos tipos de unidades y usar la que encontremos en la bibliografía sobre la que trabajamos porque es tedioso ir haciendo conversiones. No obstante, en las tablas principales incorporamos bastantes conversiones de unidades.

PROCESOS Y CICLOS DE REFRIGERACIÓN

Procesos de refrigeración

Un proceso de refrigeración consiste en el cambio de las propiedades termodinámicas de un refrigerante y la transferencia de energía entre el refrigerante y los alrededores. El sistema de refrigeración más común es el de compresión del vapor. En este ciclo ocurren los siguientes procesos:

• Evaporación: En este proceso, el refrigerante se evapora a una temperatura más baja que los alrededores, absorbiendo su calor latente de evaporación.
• Sobrecalentamiento: El vapor de refrigerante saturado usualmente se sobrecalienta para asegurar que el refrigerante líquido no entra al compresor.
• Compresión: El refrigerante se comprime a una temperatura y presión más alta para condensación.
• Condensación: El refrigerante gaseoso se condensa a forma líquida siendo sobrecalentado, luego condensado, y finalmente subenfriado, transfiriendo su calor latente de condensación a un refrigerante.
• Estrangulamiento y expansión: El refrigerante de alta presión es estrangulado a la presión de evaporación más baja y está listo para la evaporación.
• Absorción de calor: El calor se absorbe de los alrededores debido a la menor temperatura del aire o gas.

Coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración

El coeficiente de rendimiento es un índice de rendimiento de un ciclo termodinámico o un sistema térmico. Debido a que el COP puede ser mayor que 1, se usa el COP en vez de la eficiencia térmica. El coeficiente de rendimiento puede usarse para realizar distintos análisis:

• Un refrigerador que se usa para producir solamente un efecto de refrigeración, esto es, COP_ref.
• Una bomba de calor en la que el efecto térmico se produce por el COP_hp de calor rechazado.
• Un sistema de recuperación de calor en el que tanto el efecto de refrigeración como el efecto de calentamiento son usados al mismo tiempo, COP_hr.

Para un refrigerador, el COP se define como el ratio entre el efecto de refrigeración q_#1 respecto al trabajo de entrada W_in, ambos en Btu/lb (kJ/kg), esto es:

COP_ref = Efecto de refrigeración/ Trabajo de entrada = q_#1 / W_in

Para el ciclo de refrigeración de Carnot

Con una bomba de calor, el efecto útil es el efecto de calentamiento debido al calor rechazado q_#2, así que COP_hp es el ratio de rechazo de calor respecto a la entrada de trabajo, o

Para un sistema de recuperación de calor, el efecto útil es q_#1 y q_#1. En tales condiciones, COP_hr, se define como el ratio de la suma de los valores absolutos del efecto de refrigeración y el rechazo de calor respecto al valor absoluto del trabajo de entrada, es decir,

Efecto de refrigeración, carga de refrigerante y capacidad de refrigeración

El efecto de refrigeración q_rf, Btu/lb (J/kg o kJ/kg), es el calor extraído por masa unitaria de refrigerante durante el proceso de refrigeración en el evaporador. Puede calcularse como:

q_rf = h_lv – h_3n

Donde h_lv, h_3n = entalpía del refrigerante entrando y dejando el evaporador Btu/lb (J/kg o kJ/kg). La carga de refrigeración, Q_rl, Btu/h (W), es la tasa requerida de extracción de calor por el refrigerante en el evaporador. Puede ser calculado de la siguiente forma:

Donde 

 =  caudal másico de refrigerante fluyendo a través del evaporador, lb/h (kg/s).

La capacidad de refrigeración, o capacidad de enfriamiento, Q_rc, Btu/h (W), es la tasa actual de calor extraído por el refrigerante en el evaporador. En la práctica, la capacidad de refrigeración del equipo seleccionado es a menudo ligeramente mayor que la carga de refrigeración. Esto es debido a que las especificaciones del fabricante son una serie de capacidades fijas. Ocasionalmente, pueden seleccionarse equipos de forma que su capacidad sea exactamente igual a la carga de refrigeración requerida. La capacidad de refrigeración Q_rc puede calcularse como:

Donde h_ren, h_rlv = entalpía del refrigerante actualmente entrando y dejando el evaporador.

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