Tema 2: Componentes Frigoríficos Básicos

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1 Master en Ingeniería Industrial 2º cuatrimestre Instalaciones y máuinas hidráulicas y Térmicas Producción de frío Grupo 1 Tema 2: Componentes Frigoríficos Básicos Juan F. Coronel Toro Grupo de Termotecnia Dpto. Ingeniería Energética Universidad de Sevilla 1 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 2 1

2 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 3 Compresores Clasificación según el tipo de compresión Volumétricos (desplazamiento positivo) Alternativos o de pistón Rotativos Espirales (Scroll) Tornillo (Screw) Dinámicos (turbocompersores) Centrífugos Axiales Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 4 2

3 Compresores Clasificación según el tipo de montaje Herméticos Semi-herméticos Abiertos Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 5 Compresores Compresor alternativo: Componentes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 6 3

4 Compresor alternativo: Funcionamiento Compresores Animación: (2 min 30 seg) Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 7 Compresores Compresor alternativo: Funcionamiento Parámetros geométricos: DC = diámetro π 2 Cilindrada= DC LC NC L = carrera 4 N = númerode cilindros V! C T = Desplaz.Volumétrico = Cil ω [m³] [m³/h] Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 8 4

5 Compresores Compresores: Rendimientos Rendimiento volumétrico Relaciona el caudal del compresor con el máximo Caudal adimensional de refrigerante V! m! 1 R v1 η = = V! V! v = t t f(r ) c Si r c η v p r C = p c e Rendimiento isentrópico Relaciona el trabajo de compresión con el mínimo ideal η = Rendimiento total h2s h1 = h h Cs s = C 2 1 f ( r Relaciona el mínimo trabajo de compresión con la potencia eléctrica absorbida ηt = Cs ele = Cs C C eje C eje ele ) = η η η s Si m r c η s elec Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 9 Compresor de espiral (Scroll) Compresores Animación: (1 min 39 sec) 1. Salida de gas 2. Bouilla de descarga 3. Válvula seguridad 4. Sello flotante 5. Espiral fija 6. Espiral móvil 7. Válvula de aceite 8. Visor de aceite 9. Entrada de gas 10. Bujes 11. Protector térmico 12. Lubricación Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 10 5

6 Compresor de tornillo (screw) Compresores Animación: (56 seg) Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 11 Selección de compresores Compresores Datos de entrada Tipo de compresor Refrigerante Potencia frigorífica, Qf [k] Temperaturas de evaporación, Te [ºC] y condensación, Tc [ºC] Sobrecaliento del vapor T V [ºC] y Subenfriamiento del líuido T L [ºC] Datos de salida Modelo (datos técnicos) Potencia frigorífica Qf [k] Consumo eléctrico, ele [k] COP m R [kg/h] Temperatura descarga, T 2 [ºC] Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 12 6

7 Selección de compresores Compresores Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 13 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 14 7

8 Clasificación de evaporadores Evaporadores Según el fluido enfriado Enfriadores de líuido Sumergido Multi-tubo Placas Enfriadores de gases Banco de tubos aleteados Circulación natural o forzada Según el método de alimentación Evaporador seco Expansión directa (DX) Evaporador inundado Evaporador alimentado por bomba Recirculación de líuido Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 15 Enfriadores de líuido Sumergido Evaporadores Mutitubular o carcasa-tubo Placas Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 16 8

9 Evaporadores Enfriadores de aire Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 17 Evaporadores Métodos de alimentación Evaporador seco Válvula termostática (TXV) Salida vapor recalentado Zona sin cambio de fase Evaporador inundado Alimentación por termosifón Depósito de baja sobre cada evaporador Salida con un título entre 70-80% Todo cambio de fase Evaporador alimentado Alimentación con bomba Evaporadores en paralelo Salida con un título entre 70-80% Todo cambio de fase Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 18 9

10 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 19 Clasificación de condensadores Condensadores Condensación por agua Placas y carcasa-tubo Agua bruta o agua de torre Condensación por aire Banco de tubos aleteados Parecidos a los evaporadores de aire Condensadores evaporativos Banco de tubos Parecidos a las torres Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 20 10

11 Condensadores Condensación por agua de torre Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 21 Condensadores Condensadores evaporativos Combina las características de los condensadores de agua y las torres de refrigeración Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 22 11

12 Condensación por agua vs. aire Condensadores Enfría aire y condensa con aire Enfría aire y condensa con agua Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 23 Condensadores Temperaturas típicas de condensación Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 24 12

13 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 25 Válvulas Válvulas Tipos de válvulas - Manuales - Termostáticas - Electrónicas - Automáticas Válvulas termostáticas Válvula expansión termostática (TXV) Fija recalentamiento ( T) salida evaporador Tse p b p e + p M = p b p e T p c Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 26 13

14 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 27 Depósitos Depósitos Tipos de depósitos Recipientes de líuido (receiver) Salida del condensador Alta presión Depósitos a presiones intermedias (expansiones múltiples) Tanues para evaporadores inundados Baja presión Depósitos alimentación evaporadores Baja presión Diámetro mínimo Evitar arrastre de gotas en la líneas de aspiración Vapor Saturado Lí. Saturado Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 28 14

15 Componentes frigoríficos Eficiencia básicos Energética en la Edificación ÍNDICE 1. Compresores 2. Evaporadores 3. Condensadores 4. Válvulas 5. Depósitos 6. Refrigerantes Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 29 Terminología Refrigerantes Nomenclatura Fórmula uímica: CHClF 2 Denominación uímica: Clorodifluormetano Denominación simbólico alfanumérica: R-22 Nombre comercial: Freón 22 Denominación simbólica alfanumérica Compuestos orgánicos: R - X Y Z donde X = nc - 1 Y = nh + 1 Z = nf Compuestos inorgánicos: R 7 PM donde PM es el peso molecular Mezclas: R 4 comb. A R 5 comb. A Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 30 15

16 Refrigerantes Clasificación Grado de toxicidad Bajo R-134a Alto R-717 Inflamabilidad Altamente inflamable R-50 Ligeramente inflamable R-717 No inflamable R-22 Grupos de Seguridad (RD 138/2011: Reglamento de Seguridad para Inst.Frigoríficas) Grupo L1: Alta seguridad = A1 Grupo L2: Media seguridad = B1, A2 y B2 Grupo L3: Baja Seguridad = A3, B3 Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 31 Índices medioambientales Refrigerantes ODP (Ozone Depletion Potential) Indica la capacidad para destruir ozono estratosférico de una sustancia, tomando como referencia el R-11 GP (Global arming Potential) Indica cuánto calor puede ser atrapado por una sustancia de efecto invernadero, tomando como referencia el CO 2 TEI (Total Euivalent arming Impact) Masa euivalente de CO 2 emitida por una instalación como resultado de la suma del impacto directo generado por fugas de refrigerante y el impacto indirecto generado por el CO 2 emitido en la producción de energía eléctrica consumida por la planta frigorífica. TEI = GP L n + GP m (1 - αrec )+ n E β [kg CO2 ] Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 32 16

17 Refrigerantes ODP y GP Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 33 Evolución histórica Refrigerantes 1930: Se sintetizan los primeros halogenados R-12 y R-22: Buenas propiedades termodinámicas y de seguridad 1987: Protocolo de Montreal. Efecto destructor del Cl y Br sobre la capa de ozono (ozone depletion) CFC (R-12): Prohibido su uso desde HCFC (R-22): Prohibido su uso salvo reciclado desde 2014 Aparición de los HFC 1997: Protocolo de Kyoto Efecto invernadero Calentamiento global (Global arming) Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero Definición de índices ambientales: ODP, GP y TEI 2014: Directiva 517/2014 (F-GAS) 2020 GP < 2500 Prohibición del R-404A 2025 GP < 750 split peueños Prohibición R-410A y R-407C Reducción progresiva de la comercialización de HFC en EU Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 34 17

18 Evolución del mercado de HFC Reducción de la comercialización ( ) Refrigerantes Evolución de los precios Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 35 Presente y futuro Refrigerantes CFC y CHFC: Prohibidos los refrigerantes con cloro R-12 y R-22 R-404A: Habitual en baja temperatura (< -18ºC) Prohibido en 2020 R-410A: Habitual en clima Prohibido en 2025 para autónomos peueños. R-134a: Habitual en todos los sectores Afectado por intervención mercado R-717 (Amoniaco) En la industria o en ambiente exterior R-744 (CO 2 ) Interesante en ciclos en cascada como refrigerante de baja. Hidrocarburos Prohibidos en edificios por el RSIF R-32: GP bajo (675) pero seguridad media (L2) Prohibidos por el RSIF HFO (R-1234ze, R-1234yf): GP bajísimo (<10) pero seguridad media Prohibidos por el RSIF Tema 2: Componentes frigoríficos básicos IMHT - 3ª Parte: Producción de frío 36 18

19 Master en Ingeniería Industrial 2º cuatrimestre Producción de frío Grupo 1 Instalaciones y máuinas hidráulicas y Térmicas Tema 2: Componentes Frigoríficos Básicos Juan F. Coronel Toro Grupo de Termotecnia Dpto. Ingeniería Energética Universidad de Sevilla 37 19

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