COMPRESIÓN MULTIPLE INDIRECTA LAS CASCADAS

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN COMPRESIÓN MULTIPLE INDIRECTA LAS CASCADAS En muchas aplicaciones de la producción de frío, tales como climatización estival, refrigeración de productos perecederos, etc..., la diferencia entre las temperaturas de condensación y evaporación no es elevada, por lo que el sistema standard de compresión simple, se demuestra adecuado para este tipo de instalaciones. Sin embargo, en aplicaciones de refrigeración en baja temperatura como son la congelación rápida, el almacenamiento de alimentos congelados, la licuefacción de gas, la fabricación de hielo seco, la liofilización, etc. donde la temperatura de evaporación requerida se encuentra entre ºC y los ºC, el sistema de compresión múltiple indirecta o cascada es a menudo una opción conveniente. E. TORRELLA ANTECEDENTES El primero en construir una cascada fue Louis Abel Charles Tellier, en 867, el cual dispuso un ciclo de compresión simple que trabaja con el refrigerante CO para conseguir la baja temperatura, y realizando la condensación de este fluido mediante la evaporación de un segundo fluido, SO, que circulaba en un segundo ciclo de compresión, este fluido, más fácilmente licuable, era condensado por cesión de potencia térmica a una corriente de agua. Este Tellier era un adelantado a su época, y como tantos de sus inventos fueron un fracaso, al no existir en aquél momento una demanda importante para este tipo de niveles térmicos. Tendrían que pasar varios años para que su idea fuese recogida por Raoul Pictet, que en 877, produjo oxígeno líquido utilizando la cascada de Tellier, es decir a partir de la conexión térmica de dos ciclos de compresión, uno con CO yelotroconso, con el evaporador de baja temperatura, el de CO, fue capaz de enfriar oxígeno por debajo de su temperatura crítica. ANTECEDENTES Tendrían que pasar varios años para que su idea fuese recogida por Raoul Pictet, que en 877, produjo oxígeno líquido utilizando la cascada de Tellier, es decir a partir de la conexión térmica de dos ciclos de compresión, uno con CO yelotroconso,conel evaporador de baja temperatura, el de CO, fue capaz de licuar oxígeno. E. TORRELLA E. TORRELLA

2 ANTECEDENTES De forma independiente a Pictet, Louis Paul Cailletet, en el mismo año (877), consiguió licuar oxígeno utilizando el efecto Joule Thomson. El oxígeno estaba comprimido mientras era enfriado. El gas comprimido se lo permitía expandirse rápidamente, enfriándolo cada vez más. El resultado fue la producción de pequeñas gotas de oxígeno líquido. ANTECEDENTES En 889 Linde construyó compresores multietapa de aire para lograr presiones de bar con lo que pudo generar el frío necesario para obtener un caudal de 5 l/h de aire licuado. 5 E. TORRELLA 6 E. TORRELLA ANTECEDENTES TIPOS En 98, Heike Kammerlingh Onnes, utilizó una cascada de cuatropasosparalalicuaciónde helio. Este principio, de enfriamiento en varias etapas paso a ser uno de los métodos utilizados en criogénia. La palabra criogénia viene de las palabras griegas "kryos", que significa frío o enfriamiento y "genes", que significa nacido de o generado. Inicialmente, el término cascada se utilizó en sistemas con dos o más fluidos, pero también se emplea con los sistemas de un único fluido en los diversos ciclos. MULTI FLUIDO COMP. INDIRECTA CASCADAS AUTO CASCADA 7 E. TORRELLA 8 E. TORRELLA

3 PRECURSOR LA CASCADA MULTIFLUIDO Con el objetivo de aumentar la seguridad de las instalaciones frigoríficas de baja temperaturas, que utilizaban grandes cantidades de amoníaco, en 9, F. Kitzmiller, de la compañía Frick, ideó el sistema split stage, el cual consistía en una cascada, con un ciclo de CO en baja, y una máquina de amoníaco de dimensiones reducidas, para el salto de alta temperatura, básicamente como las actuales cascadas, sin éxito comercial debido a su mayor complejidad. 9 E. TORRELLA E. TORRELLA CAUSAS DE IMPLANTACIÓN Dejando a un lado las plantas criogénicas, en aquéllas aplicaciones en las que se hace necesario una temperatura de trabajo muy baja, el uso de fluidos frigorígenos convencionales conlleva una serie de inconvenientes, tales como: Bajas presiones de evaporación, por debajo de la atmosférica, con lo que en caso de rotura existirá una fuerte tendencia a la entrada de aire húmedo exterior. A menor temperatura tanto mayor será el volumen específico del vapor a la entrada del compresor, por lo que el desplazamiento del caudal másico requerirá un volumen disponible elevado en el compresor. En los fluidos frigorígenos, el descenso de la temperatura de evaporación se acompaña de una reducción en la producción frigorífica específica, es decir un aumento del título en vapor a la salida del dispositivo expansor. Para evitar estas dificultades han sido desarrollados una serie de refrigerantes particularmente adaptados al dominio de bajas temperaturas. Desafortunadamente, la relación entre la temperatura absoluta correspondiente al punto normal de ebullición y la crítica es del mismo orden para todos los fluidos (Número de Guldberg; aproximadamente /), por lo que la utilización de un refrigerante en una instalación de compresión simple, que a temperaturas muy bajas posee una presión superior a la atmosférica, en el lado de condensación alcanzará una presión superior a la crítica, con el consiguiente descenso en la efectividad que ello comporta, a la par que dicho nivel de presión obligaría a una robustez excesiva en los equipos y conducciones. E. TORRELLA E. TORRELLA

4 Compresión múltiple indirecta. Esquema básico. Compresión múltiple indirecta. Esquema simple. En el intercambiador de cascada se produce la condensación del fluido del circuito de baja por medio de la evaporación del fluido que circula por el ciclo de lata temperatura. Exp. A. Fluido condensación Condensador CIRCUITO DE ALTA Inter. Cascada C.A. Exp. B. CIRCUITO DE BAJA C.B. Evaporador Medio a enfriar E. TORRELLA E. TORRELLA Compresión múltiple indirecta. Análisis teórico. N etapa. Compresión múltiple indirecta. Análisis teórico. Caudales másicos ' ' (n-) (n-) n n ' ' (n-) (n-) n n m Q h h m ' h h mh h ' ' ' (n-) (n-) n n m' h h h h h h Q ' ' ' (n-) (n-) n n n m Q n n h h h' h'... h h n n h h h h... h h ' ' 5 E. TORRELLA 6 E. TORRELLA

5 Compresión múltiple indirecta. Análisis teórico. Potencias consumidas Compresión múltiple indirecta. Potencias unitarias ' ' (n-) (n-) n n ' ' (n-) (n-) n n h h P mh h P Q h h Q P COP ' P' m h n n P m ' ' h Q h' h' h h h h h h ' ' n n n n n n h h h h h' h'... h h h h Q n n h h h h... h h ' ' ' (n-) (n-) n n Q P' COP' COP i h h COP h h i i n Q P COP i i... COP COP n n ' (n-) (n-) n n 7 E. TORRELLA 8 E. TORRELLA Máquinas en cascada Incidencia del número de etapas ' ' (n-) (n-) n n COP ' (n-) (n-) n n,8 n i PT P Q... n i COP COP,6, R- T [-7 C] T K [+ C] COPT... n COP COP 9 E. TORRELLA, NUM. ETAPAS E. TORRELLA 5

6 Compresión múltiple indirecta. Comentarios COP Si el número de etapas tiende a infinito (el salto entre condensación y evaporación tiende a cero en cada etapa), el COP también tenderá a infinito. CASCADA DE DOS ETAPAS Esquema básico ' ' ' A medida que aumenta el número de etapas, aumenta el COP, si bien el incremento que se obtiene en etapas sucesivas es cada vez menor. p T T B A Ciclo A Ciclo B T h h E. TORRELLA E. TORRELLA CASCADA DE DOS ETAPAS COP Incidencia del salto térmico ' ' COP P B P A Q h h h h m h h Q h h h h h h h h COPB COPA PT PA PB Q COP COP Q COPB COPA COPT P COP COP T B B A ' A ' ',8,6,, T = 5ºC T = ºC T= 5ºC E. TORRELLA T K [ºC] E. TORRELLA 6

7 COP Incidencia del salto térmico El intercambiador de cascada necesita de una diferencia de temperaturas para poder generar una transferencia de calor. Cuanto menor sea esta diferencia, mayor es el COP de la instalación, y mayor es la superficie de intercambio del condensador de cascada. El valor de compromiso del salto térmico se establece entre y5ºc. NIVEL INTERMEDIO Criterio ideal El valor de temperatura intermedia entre las dos etapas de una cascada es un parámetro que incide de forma importante sobre el valor del COP. En el caso idela de ambas etapas trabajando según ciclos de Carnot, el valor de la temperatura intermedia óptimo es: Ti ; opt T donde T y T K son las temperaturas de evaporación del ciclo de baja temperatura y de condensación del de alta. Es evidente que este es un criterio ideal, pero los valores reales no deben diferior mas de un % del ideal. Para los ciclos de compresión, asumiendo igual tasa de compresión en ambas etapas, la temperatura intermedia óptima se es: b b T i; opt b b / TK T Donde b yb son las constantes de la ecuación de Clausius Clayperon (Ln(p) = a b/t) para fluidos de baja y alta temperatura respectivamente. T K 5 E. TORRELLA 6 E. TORRELLA NIVEL INTERMEDIO Cálculo Máximo COP, Utilizando el CO en el ciclo de baja y para seis diferentes refrigerantes utilizados en el ciclo de alta temperatura. El valor de T KB que optimiza el COP se sitúa en el entorno de 5ºC para una T KA = ºC y una T B = 5ºC (Criterio ideal T i; opt ºC). INTERCAMBIADOR INTERNO IHX_A IHX comb Datos de Entrada IHX_B Refrig_ALTA - Refrig_BAJA CO T KA T KB - T_cascada 5 ºC T B -5 ºC RU_A 5 ºC RU_B 5 ºC R_Mot_A - R_Mot_B 5 ºC SUB_A ºC SUB_B ºC va -, t vb -, t ia -, t ib -, t IHXB,7 7 E. TORRELLA 8 E. TORRELLA 7

8 Cascada Esquema complejo Comp. A Cond. A CIRCUITO ALTA Cond. B Evap. A Comp. B Sub. Rec. II Sub. Rec. I Evap. B CIRCUITO BAJA Los dos intercambiadores internos tienen como fin recalentar los vapores de aspiración al compresor de baja para no incurrir en fatiga térmica. 9 E. TORRELLA PROBLEMA PARADA PROLONGADA En el circuito de baja temperatura los refrigerantes empleados presentan presiones elevadas a temperatura ambiente, por ello durante las paradas deben habilitarse sistemas para evitar la posibilidad de rotura de alguno de los componentes de la instalación por sobrepasar la presión máxima de operación. A continuación presentamos varias soluciones al respecto. En el caso de utilizar CO para el ciclo de baja se puede aliviar al ambiente para mantener la presión por debajo del valor marcado por el valor de diseño de los componentes de la planta. E. TORRELLA PARADA PROLONGADA Depósito de expansión Depósito de expansión (fade out vessel). Se trata de un depósito conectado al circuito de baja temperatura mediante válvulas solenoides. El depósito normalmente vacío, se abrirá permitiendo la entrada de refrigerante cuando la parada de la instalación tenga la suficiente duración como para que la presión del circuito se eleve por encima de la presión de seguridad. El depósito deberá diseñarse con el volumen suficiente como para que al admitir el refrigerante, el volumen añadido a la instalación permita bajar la densidad del conjunto y hacer que la presión no supere la de diseño. Será necesario por tanto conocer el volumen normal de la instalación, la masa de refrigerante, y las condiciones de presión y temperatura que no deben superarse. PARADA PROLONGADA Enfriamiento Enfriamiento externo de la instalación. Se trata de colocar un sistema frigorífico auxiliar para el enfriamiento del CO almacenado en el depósito principal de la instalación. El sistema frigorífico irá conectado a un grupo electrógeno de emergencia. Enfriamiento interno. Colocar un depósito tarado a alta presión con serpentín de enfriamiento interno proveniente del ciclo de alta temperatura. Este sistema evita el sobredimensionado del intercambiador de cascada durante el pull down, puesto que el circuito de baja temperatura no arrancará hasta que se haya enfriado a una presión adecuada. E. TORRELLA E. TORRELLA 8

9 FLUIDOS UTILIZADOS I A partir de la entrada en el mercado de los refrigerantes CFCs, los fluídos que se adoptan para el ciclo de baja temperatura son el CFC, el CFC B yelcfc 5 (azeótropo con un6%enpesodecfc yun%dehfc ). FLUIDOS UTILIZADOS II La desaparición de estos fluidos CFC, ha llevado a su sustitución por : El CFC B que se utilizaba en el rango de temperaturas de evaporación de 7ºC a 5ºC, puede sustituirse por el HFC A (retrofiting). El CFC cuyo rango de temperaturas de evaporación se encontraba entre 9ºC y 7ºC se sustituye por el HFC, ambos fluidos son muy parecidos. EngeneralelHCF es el sustituto más utilizado tanto del CFC como del CFC 5, tanto en nuevas instalaciones en cascada como en antiguas. Una segunda posibilidad contemplada es la utilización del HFC 58B (azeótropo con un 6 %enpesodehfc y un 5 % de Hexafluoretano ór 6) El principal problema que presentan estos fluidos de sustitución radica en los valores de GWP, así el de HFC es de 8, mientras que el del Hexafluoretano, componente del HFC 58B, es de 9. E. TORRELLA E. TORRELLA FLUIDOS UTILIZADOS CASCADAS CO -NH Ante los problemas medioambientales que se derivan de la utilización de fluidos con alto valor de GWP, la tendencia, en el caso de las cascadas, se dirige hacia la utilización del dióxido de carbono (R 7) en el ciclo de baja temperatura, trabajando en régimen subcrítico, evitando de esta manera sus problemas debidos a baja temperatura crítica. Por tanto se trabaja con: R 7 (baja) y R 77 (amoníaco en alta). Cascada natural. R 7 (baja) y HFC en alta. Atención a la limitación de GWP, en la normativa F Gas, para fluidos HFC en el circuito de alta. 5 E. TORRELLA 6 E. TORRELLA 9

10 CASCADAS CO -NH CASCADA CO CO 7 E. TORRELLA 8 E. TORRELLA CASCADA CO -HFC CASCADA CO -HFC 9 E. TORRELLA E. TORRELLA

11 CASCADA CO -HFC TEWI Las normativas sobre F Gases hacen hincapié únicamente en la emisión de refrigerante a la atmósfera, lo que supone una aportación directa al efecto invernadero. Sin embargo exista otra aportación indirecta que es debida al consumo energético de la instalación durante su tiempo de vida, lo que implica la eficiencia de la misma. Para tener una visión completa del potencial de efecto invernadero recurrimos al TEWI: TEWI = ( GWP L n)+(gwp m[ α])+(n E an β ) Fugas refrig. durante funcionamiento Pérdida durante recuperación de refrig. Consumo de energía EFECTO DIRECTO EFECTO INDIRECTO GWP = Potencial de Calentamiento Atmosférico [Referido al CO ] L = Cantidad de fugas anual [kg] n = Años de funcionamiento del sistema [años] m = Carga de refrigerante del sistema [kg] α = Factor de reciclaje de refrigerante [ ] E an = Consumo energético anual [kwh] β = Emisiones de CO por kwh generado [mix energético] E. TORRELLA E. TORRELLA COMPARACIÓN TEWI SITEMAS Direct effect (High Temp Refrig) Direct effect (Low Temp Refrig or Sec Fluid) Indirect effect 8 TEWI (ton CO, equ) 6 LA AUTOCASCADA O CASCADA INCORPORADA R77 CO Rze(E) R9 R5a Ra R77 CO R5a RA R77 R9 R5a CO CO CO CO CO (sf) CO (sf) CO (sf) Direct two-stage with subcooler and Indirect two-stage (ΔT casc=ºc) Direct two-stage with subcooler (ε=7%) secondary fluid (ε=7%, ΔTsf=6ºC) T o = ºC, T env =ºC, ε=7%, ΔT casc =ºC, ΔT sf =6ºC E. TORRELLA E. TORRELLA

12 LA AUTOCASCADA Autocascada Esquema básico La autocascada fue propuesta por Martin Ruhemann en 96 y utiliza un único compresor. Trabaja con una mezcla de dos componentes, que a la misma presión poseen temperaturas de saturación diferentes. La mezcla es comprimida desde la baja presión de evaporador, hasta la de condensación, y llevada a un condensador, done sólo es capaz de licuarse el componente de alta temperatura, quedando el otro en fase vapor, la expansión hasta la baja presión del líquido unicomponente licuado es capaz de producir la condensación del segundo componente, el cual es a su vez expandido hasta la baja presión para producir el efecto útil. A la baja presión ambos componentes se encuentran en fase vapor, pueden ser mezclado y aspirador por el compresor, cerrando así el ciclo de la instalación. COMPRESOR II EVAPORADOR (ÚTIL) I CONDENSADOR I EVAPORADOR II CONDENSADOR EXP. BT EXP. AT 5 E. TORRELLA 6 E. TORRELLA Autocascada Presiones de vapor de los fluidos p p K REF. BT REF AT T p T B T A T KB T KA T 7 E. TORRELLA