13 marzo 2012

Estimando los parámetros de diseño en sistemas con propano como refrigerante





PRO-290 representa al propano, que es un refrigerante altamente inflamable con una clasificación de seguridad A3. Necesita aceites lubricantes basados en poliol ester o alkali-benzeno. El propano es un refrigerante con importantes aplicaciones de bajas temperaturas porque tiene una temperatura de vaporización de – 44,33 ºC (la del amoniaco es -33,33 ºC).

Los sistemas de refrigeración de propano a menudo se usan por ejemplo en la industria de procesado de gas natural para proporcionar el enfriamiento requerido en los componentes pesados de condensación para un gas rico. En este estudio explicamos una simple correlación para estimar la potencia del compresor y los deberes del condensador para las obligaciones de refrigeración en sistemas de refrigeración de propano en tres etapas – parámetros importantes a considerar cuando se diseña cualquier sistema de refrigeración.

Los sistemas de refrigeración son muy comunes en la industria de procesado de gas natural para  la recuperación de gas natural licuado y control del punto de rocío de hidrocarburos. La selección de un refrigerante generalmente se basa en los requerimientos de temperatura, disponibilidad, economía y experiencia previa. El propano es uno de los mejores refrigerantes ya que no requiere cambios térmicos en los sistemas de refrigeración existentes.

En este proceso, el chorro de gas natural se enfría con un sistema de refrigeración de propano externo, y luego los líquidos condensados están separados en un separador de baja temperatura y estabilizado en una columna. El propano no es corrosivo con muchos materiales como aluminio, latón, bronce, cobre, acero inoxidable. Esto es completamente compatible con componentes existentes tales como intercambiadores de calor, válvulas de expansión, compresores, lubricantes y tubos de cobre, que se usan en sistemas de refrigeración.

El sistema de refrigeración de propano está diseñado para proporcionar el enfriamiento requerido en aplicaciones de procesado de gas. Los sistemas de refrigeración utilizando una, dos, tres, o cuatro etapas de compresión han sido operadas con éxito en varios servicios. Sin embargo, el número de niveles de refrigeración generalmente dependen del número de etapas de compresión requeridas, cargas térmicas interetapas, economía y tipo de compresión.

Un sistema de refrigeración en dos etapas y economizador flash interetapa puede dar como resultado un ahorro significativo. Un ahorro adicional puede conseguirse eliminando calor del proceso en el nivel de interetapa antas que a un nivel de baja etapa. Ahorros de potencia adicionales pueden conseguirse usando un sistema de compresión de tres etapas. Como un sistema de dos etapas, puede usarse un economizador flash y/o una carga de calor intermedia. Los ahorros, si bien no son tan dramáticos como en la comparación entre dos etapas y una etapa, puede ser bastante significativo como para justificar el equipo adicional.

El consumo de energía frecuentemente se reduce cuando el número de etapas se incrementa. Sin embargo, para un sistema de refrigeración de propano, el coste de instalación de tales sistemas de refrigeración se incrementa cuando el número de etapas aumenta.

La determinación del nivel de refrigeración se basa en la mínima temperatura requerida en el proceso, considerando la aproximación de temperatura para cada equipo de transferencia de calor donde la temperatura de condensación tiene un efecto significativo en la potencia de compresión y los requerimientos de los deberes de condensación. Considerando esto, existe una necesidad esencial para determinar apropiadamente estos parámetros de diseño que afectan la optimización de un sistema de refrigeración de propano.

Correlación propuesta

La ecuación 1 representa una nueva correlación en la que se usan cuatro coeficientes para correlacionar potencia y los servicios del condensador para los servicios de refrigeración en un sistema de refrigerantes de propano:



En las ecuaciones anteriores, Q es la potencia del compresor (MW) o servicio del condensador por servicio de refrigeración (kW) en un ciclo de refrigerante de propano de tres etapas, y Tevp y Tcon son las temperaturas del evaporador y condensador del evaporador en deg K respectivamente.

Los coeficientes ajustados usados en las ecuaciones 2 a 5 vienen dados en la tabla siguiente para la determinación del servicio del compresor y el condensador. Estos coeficientes ajustados se cambian si están disponibles más datos experimentales.

En la siguiente tabla se indican los coeficientes ajustados usados en las ecuaciones 2 y 5.



Para aplicar esta correlación a la mayoría de los compresores comercialmente disponibles, se asume una eficiencia politrópica de 0,77. La eficiencia politrópica se convierte en eficiencia isentrópica para incluir los efectos del ratio de compresión y el ratio del calor específico para el refrigerante de propano. Para una operación eficiente y equilibrada del compresor, se emplea un ratio igual de compresión entre etapas.

Las presiones en las toberas de entrada dellado de carga y succión se ajustaron a 10 kPa para permitir la caída de presión. Estos datos también incluyen una caída de presión de 70 kPa a través del condensador del refrigerante para propano.

Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos:


Bibliografía: Estimating Design Parameters in Propane Refrigerant Systems. Pumps & Systems. November 2007
Palabras clave: Three-stage propane refrigerant systems
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