CAPITULO 16 REFRIGERACIÓN

Transcripción

1 CAPITULO 6 REFRIGERACIÓN

2 CAP. 6. REFRIGERACIÓN. GENERALIDADES: La refrigeración es el proceso mediante el cual se disminuye la temperatura de una sustancia por debajo de la temperatura de sus alrededores. El sistema ideal de compresión de vapor se ilustra en la fig.. El sistema consiste en un fluido refrigerante y cuatro equipos a través de los cuales circula el mismo: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. Calor Rechazado Condensador Potencia Aplicada Compresor Válvula de Expansión Evaporador Calor Agregado FIG. CICLO DE REFRIGERACIÓN IDEAL PARA COMPRESIÓN DE VAPOR El fluido refrigerante hierve a baja presión en el evaporador, removiendo calor del gas natural o de cualquier otro material a ser enfriado. El vapor sale del evaporador y entra en el compresor, donde su presión es aumentada. Posteriormente es condensado, rechazando así el calor que absorbió en el evaporador. Ya que en el condensador el vapor está en una presión más alta que en el evaporador, la condensación se lleva a cabo a una temperatura mayor. Así el calor se transfiere desde el evaporador de baja temperatura, hasta el condensador Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-

3 de más alta temperatura con la ayuda del comprensor. Después de la condensación, el líquido refrigerante fluye de nuevo al evaporador, a través de la válvula de expansión. Los ciclos de refrigeración pueden ser analizados con mayor claridad si se estudian en un diagrama P-h o diagrama de Mollier (fig.). Cuando se realiza trabajo o se transfiere calor, el refrigerante experimenta un cambio de entalpía. La evaporación y la condensación son considerados como procesos a presión constante, de tal forma que están representados por líneas horizontales en el diagrama. FIG.. DIAGRAMA PH PARA EL CICLO DE REFRIGERACIÓN IDEAL Idealmente, la compresión de un gas es un proceso isentrópico, el cual supone que no hay pérdida de calor, y ausente de fricción. El ciclo teóricamente empieza en el punto, donde el líquido saturado entra en la válvula de expansión, proveniente de un condensador. El flujo de refrigerante a través de una válvula de expansión es un proceso de estrangulamiento sin cambio en entalpía. La línea vertical - representa este proceso. Cuando el líquido refrigerante se expande hasta la presión del evaporador, parte de él se transforma en vapor y enfría el resto del líquido hasta la temperatura del evaporador. Después de absorber calor del fluido de operación en el evaporador, el vapor de refrigerante sale del serpentín en, y entra en el compresor. El gas entonces comprimido desde una baja presión hasta una alta presión isentrópicamente, desde hasta. En el condensador, el gas sobrecalentado es inicialmente enfriado desde hasta, hasta que aparezca la curva de vapor saturado, Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-

4 momento en el cual comienza la condensación, la cual ocurre desde hasta. En este punto el vapor ha sido totalmente transformado en líquido. Un análisis detallado de cada uno de los procesos, permite un entendimiento más claro sobre los mismos. a. Expansión: En este proceso se expande el líquido producido en el condensador hasta la presión de evaporación. Este proceso es isentálpico. Durante la expansión, parte del líquido se transforma en vapor (fig. ). Fig.. Expansión b. Evaporación: Se realiza en el enfriador o chiller, lugar donde se absorbe el calor. En este caso aumenta el calor latente, ya que la temperatura es constante, y el calor transferido resulta en un cambio de fase de líquido a vapor (fig. ). Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-

5 Fig.. Evaporación Por capacidad de refrigeración se entiende la cantidad total de calor absorbida en el enfriador. Esto se reporta en toneladas de refrigeración, la cual se define como la cantidad de calor absorbida por una tonelada de hielo, que se transforma en agua a ºF en horas; equivale a.000 btu/hr. c. Compresión: En el proceso isentrópico, la compresión se realiza a través de una línea de entropía constante en el diagrama de Mollier. Haciendo uso de los valores de entrada y salida es posible determinar la potencia requerida (fig. 5). Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-

6 Fig. 5. Compresión d. Condensación: Esta ocurre al remover el calor de refrigeración más el calor absorbido durante la compresión. La presión de condensación esta determinada por la temperatura de condensación, la cual es establecida por el medio de enfriamiento. Si el compresor no puede alcanzar la presión de condensación, ésta no se realiza, el compresor entra en surge, y la planta de refrigeración se para. Ocasionalmente el líquido es subenfriado en el condensador para eliminar parte del gas que se forma durante la expansión (fig. 6). Fig. 6. Condensación La fig. 7 representa un proceso irreversible (no isentrópico) en el diagrama de Mollier. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-5

7 El punto ad representa la descarga en el compresor si el proceso fuera isentrópico, en tanto que el punto representa la condición real a la salida. ad Fig. 7. Proceso no isentrópico La fig. 8 representa la trayectora en el diagrama de Mollier de un proceso de compresión, en el que se utilizan interenfriadores, en los cuales la caída de presión es despreciable. 5 6 Fig. 8. Refrigeración con interenfriadores Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-6

8 La fig. 9 presenta un proceso de refrigeración con un economizador, cuya función consiste en reducir la potencia requerida, eliminando la necesidad de comprimir todo el gas producido por la expansión -. El efecto secundario del economizador es reducir la temperatura del vapor comprimido. La fig. 0 presenta el diagrama de Mollier para este proceso. Calor Rechazado Condensador 9 Compresor Potencia Aplicada Economizador 8 7 Potencia Aplicada 5 6 Evaporador Calor Agregado Fig. 9.- Refrigeración con economizador Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-7

9 Fig. 0. Sistema de refrigeración con un economizador Es importante tener en cuenta en el diseño de unidades de licuación de gas natural, que la potencia requerida para verificar la refrigeración aumenta notablemente con la disminución de temperatura..- REFRIGERANTES: Los refrigerantes comúnmente utilizados son: Gas Temperatura de enfriamiento Metano -00 F -00 F Etileno y Etano -75 F -75 F Propileno y Propano -50 F 0 F Butanos +0 F +60 F.- CARACTERÍSTICAS DEL REFRIGERANTE: a. PRESIÓN Y TEMPERATURA DE EBULLICIÓN: Es deseable mantener la presión por encima de la presión atmosférica, para evitar la entrada de aire y humedad en el sistema. Por tanto, el punto de Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-8

10 ebullición del refrigerante debe ser más bajo que el nivel de temperatura deseado. b. TEMPERATURA DE CONGELAMIENTO: El refrigerante seleccionado debe tener una temperatura de congelamiento muy por debajo de la mínima temperatura a la cual será operado el sistema. c. PRESIÓN Y TEMPERATURA CRITICA: La presión y temperatura de operación deben estar muy por debajo de las condiciones críticas del refrigerante. d. CALOR LATENTE: Se desea que el refrigerante posea un alto valor de calor latente, ya que esto influye sobre el efecto de refrigeración, la cantidad de refrigerante circulado, el tamaño y el costo de las tuberías y equipos auxiliares. Además, el refrigerante debe ser estable y no corrosivo, y debe tener alta conductividad térmica y baja viscosidad. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 6-9