Guía básica para diseñar y analizar sistemas de refrigeración (2ª PARTE)

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SUBENFRIAMIENTO Y SOBRECALENTAMIENTO

Subenfriamiento

El refrigerante líquido condensado usualmente se subenfría a una temperatura inferior a la temperatura saturada correspondiente a la presión de condensación del refrigerante, como se muestra en la siguiente figura. Esto se hace para incrementar el efecto del refrigerante. El grado de subenfriamiento depende principalmente de la temperatura del refrigerante (ej., aire atmosférico, agua de superficie, o agua de pozo) durante la condensación, y la construcción y capacidad del condensador.

La entalpía de un refrigerante líquido subenfriado hsc, Btu/lb (J/kg), puede calcularse de la siguiente forma:

Donde:

• h_s,con = Entalpía de refrigerante líquido saturado a la temperatura de condensación, Btu/lb (J/kg)
• c_pr = Calor específico de refrigerante líquido a presión constante, Btu/lb ºF (J/kg ºC)
• T_s,con = Temperatura saturada de refrigerante líquido a la presión de condensación, ºF (ºC).
• T_sc = Temperatura de refrigerante líquido subenfriado, ºF (ºC)

La entalpía h_sc es también aproximadamente igual a la entalpía del refrigerante líquido saturado a temperatura de subenfriamiento.

Sobrecalentamiento

El propósito del sobrecalentamiento es evitar daños por estancamiento del refrigerante en el compresor. En la figura anterior podemos ver la región de sobrecalentamiento. El grado de sobrecalentemiento depende principalmente del tipo de alimentación de refrigerante y del compresor, así como de la construcción del evaporador.

CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR MULTIETAPA

Cuando un sistema de refrigeración usa más de un proceso de compresión de una etapa, se denomina multietapa, y puede incluir lo siguiente:

• Un compresor de etapa alta y otro de etapa baja.
• Varios compresores conectados en serie.
• Dos o más impulsores conectados en serie e impulsados por el mismo motor.
• Una combinación de los dos sistemas de refrigeración separados.

Los motivos por los que se recomienza usar un sistema de compresión de vapor multietapa en vez de un sistema de una sola etapa son los siguientes:

La relación de compresión R_com de cada etapa en un sistema multietapa es más pequeño que en la unidad de una etapa, por lo que la eficiencia aumenta. El ratio de compresión R_com se define como la relación entre la presión de descarga del compresor p_dis, psia (kPa abs.), respecto a la presión de succión a la entrada del compresor p_suc, psia (kPa abs.), o

El líquido refrigerante entra en el evaporador a una entalpía inferior e incrementa el efecto de refrigeración.

El gas de descarga desde el compresor de la etapa baja puede sobrecalentarse a una presión intermedia. Esto da como resultado una temperatura de descarga más baja desde el compresor de la etapa alta de la que se produciría en un sistema de una sola etapa a la misma presión diferencial entre las presiones de condensación y evaporación.

Dos o tres compresores en un sistema multietapa proporcionan mucha mayor flexibilidad para acomodarse a la variación de las cargas de refrigeración en varias temperaturas de evaporación durante la operación de carga parcial.

Las desventajas de un sistema multietapa son los costes iniciales más altos y un sistema más complicado para un sistema mono-etapa.

Sistemas compuestos

Los sistemas de compresión de vapor multietapa se clasifican como sistemas compuestos o sistemas en cascada. Un sistema compuesto consiste en dos o más etapas de compresión conectadas en serie. Para los compresores recíprocos, scroll o tornillo, cada etapa de compresión usualmente requiere un compresor separado. En los compresores centrífugos multietapa, dos o más etapas pueden estar combinados por medio de varios impulsores conectados en serie.

Presión interetapa

La presión interetapa usualmente se configura de forma que el ratio de compresión de cada etapa es casi el mismo para un COP más alto. Para un sistema compuesto de dos etapas, la presión interetapa pi, psia (kPa abs.), puede calcularse como:

Donde:

• p_con = Presión de condensación, psia (kPa abs.)
• p_ev = Presión de evaporación, psia (kPa abs.)

Enfriador flash e interenfriador

En los sistemas compuestos, los enfriadores flash se usan para subenfriar refrigerante líquido a la temperatura saturada correspondiendo a la presión interetapa por la parte de vaporización del refrigerante líquido. Los interenfriadores se usan para desrecalentar el gas de descarga del compresor de la etapa de baja y, más a menudo, para subenfriar también el refrigerante líquido antes de su entrada en el evaporador.

SISTEMA COMPUESTO EN DOS ETAPAS CON ENFRIADOR FLASH

En este ciclo el refrigerante en fase de vapor entra en un impulsor de primera etapa del compresor centrífugo a un estado saturado seco. Es comprimido a una presión interetapa y se mezcla con el refrigerante del vapor evaporado del enfriador flash, a menudo llamado economizador. La mezcla luego entra en el impulsor de segunda etapa. El gas caliente, comprimido a la presión de condensación deja el impulsor de la segunda etapa. Luego es descargado al condensador, en el que el gas caliente es desrecalentado, condensado, y luego subenfriado a estado líquido. Después del proceso de condensación, el refrigerante líquido subenfriado fluye a través del dispositivo de estrangulación, tal como una válvula de flotador, en el lado de alta presión. Una pequeña proporción del refrigerante líquido vaporiza instantáneamente a vapor en el enfriador flash, y este calor latente de vaporización enfría el refrigerante líquido restante a la temperatura de saturación correspondiente a la presión interetapa. El refrigerante líquido luego fluye a través de otro dispositivo de estrangulamiento, una porción pequeña es vaporizada, y la mezcla líquido-vapor entra al evaporador. El refrigerante líquido restante se vaporiza en el evaporador. El vapor luego fluye a la entrada del impulsor de primera etapa del compresor centrífugo y completa el ciclo.

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