/09/05 LAS CICLO COMPRESION LAS SIMPLE El método de roducción de frío or comresión está encuadrado dentro de los que se basan en la evaoración de un fluido a baja temeratura (resión). La esecifidad del método es la forma de recogida de los vaores roducidos en la absorción de calor a baja temeratura, que en esta caso se realiza mediante un comresor mecánico. Este comresor recuera los vaores y los comrime hasta un nivel suficiente en el que uedan ser de nuevo relicuados ara su nueva utilización. FASES DE ESTUDIO FASES DE ESTUDIO. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. 5. Parámetros Requerimientos de cálculo necesarios.. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo
/09/05 MÁQUINAS DITÉRMICAS INTERACCIÓN CON EL EXTERIOR. I Princiio II Princiio de la Termodinámica Si se iensa en una máquina térmica "M" que evoluciona cíclicamente, en régimen ermanente, con intercambio de calor con dos fuentes térmicas "F " y "F ", a temeraturas "T " y "T " (T > T ), y aorte externo de energía mecánica, odemos decir que ara un ciclo, o ara un tiemo "t" en el que se han sucedido "n" ciclos comletos, la máquina ha recibido una cantidad "W" de trabajo externo y unas cantidades de calor "Q "y "Q " de las fuentes. Fuente alta T. (T ) Fuente alta T. (T ) Q W Ganancia de entroía Máquina s= 0 (ciclo) Q Fuente caliente s = - T Q W W + Q Q = 0 Q Fuente baja T. (T ) Fuente fría. Q s = - T Q Q II Princiio 0 su = - - T T Q Fuente baja T. (T ) 5 6 MÁQUINAS DITÉRMICAS Análisis de las otencias Evidentemente en una máquina de roducción de frío se debe cumlir: Q 0 Combinando los dos rinciios. T - T T Δsu = W - Q 0 T Siendo necesaria la adición de energía externa, or lo que: W > 0 Se deduce finalmente: Fuente alta T. (T ) Q 0, Q > Q 7 Q Q Fuente baja T. (T ) W MÁQUINAS DITÉRMICAS COP máquina frigorífica Partiendo de la ecuación obtenida anteriormente. T - T T Δsu = W - Q T Se obtiene como coeficiente de efecto frigorífico C.O.P, relación entre el efecto útil y el consumo de energía externa necesario ara obtenerla: Q T T Δs u COPMF = = - W T - T W 8 0
/09/05 MÁQUINAS DITÉRMICAS Bomba de calor Es ahora "Q " el efecto buscado, conservándose "W" como la energía necesaria ara la consecución del ciclo. El término "bomba de calor" se debe a que el efecto útil "Q " se obtiene or "bombeo" del calor extraído de la fuente fría, esta energía, junto a la mecánica absorbida, son las cedidas a la fuente caliente. MÁQUINAS DITÉRMICAS COP como bomba de calor De haber eliminado la otencia absorbida de la fuente fría. W = - Q T - T T + T s u Fuente alta T. (T ) Q Q Fuente baja T. (T ) W Se obtiene como coeficiente de efecto frigorífico C.O.P, de utilizar como efecto útil la otencia cedida a la fuente caliente (BOMBA DE CALOR). COP BC Q Q Q+W = = - = = COP W W W s T T u - - W T T MF += 9 0 MÁQUINAS DITÉRMICAS Comentarios sobre el COP Puede observarse que los máximos valores del COP son de T /(T -T ) y T /(T -T ), hecho que se roduce con funcionamiento de la máquina de manera totalmente reversible, udiendo concluir que la eficacia disminuirá al aumentar el grado de irreversiblidad de las transformaciones que integran el ciclo. Un análisis de la exresión deducida ara el máximo COP, obtenible en una máquina frigorífica ditérmica de comresión, ermite decir que su valor tomará un valor suerior a la unidad siemre que se cumla: MÁQUINAS DITÉRMICAS Termofrigobomba En caso de utilizar, como efecto útil, simultáneamente tanto el calor absorbido en evaorador como el cedido en condensador, conservándose "W" como la energía necesaria ara la consecución del ciclo. El COP del ciclo sería: Fuente alta T. (T ) Q COP TFB Q Q COP W BC COP MF [ C] + 7.5 > T[ C] - T [ C] T Q W El signo se debe a que desde un unto de vista termodinámico no es correcto sumar dos calores a diferentes niveles térmicos. Fuente baja T. (T )
/09/05 MÁQUINAS DITÉRMICAS Ciclo Inverso de CARNOT EL CICLO INVERSO DE CARNOT T T T [K] Saturación en los estados y a s [kj kg - K - ] = T (s - s ) Q = T (s - s ) Q WT = Wcom - Wturbina b El ciclo de Carnot, al estar integrado or un conjunto de transformaciones reversibles, va a resentar el máximo rendimiento osible de una máquina frigorífica evolucionando entre dos temeraturas. ; Comresión ideal isoentróica (comresor). ; Cesión de calor reversible isoterma e isobárica (condensador). ; Exansión ideal isoentróica (turbina). ; Absorción de calor reversible isoterma e isobárica (evaorador). transformaciones realizadas en comonentes disuestos en serie. Q - Q = (s - s) (T - T ) MÁQUINAS DITÉRMICAS COP ciclo inverso de CARNOT Máximos valores osibles trabajando entre los mismos valores de temeratura (dado que el conjunto de transformaciones se roducen de forma reversible) y se recuera el trabajo en turbina. Turbina W turbina Q Condensador Evaorador W comresor Comresor COP COP MF BC Q T (Carnot) = = WT T - T Q (Carnot) = = T W T - T T MÁQUINAS DITÉRMICAS Conclusiones al ciclo inverso de CARNOT Las exresiones del COP, derivadas del análisis del ciclo de Carnot, coinciden con los máximos valores osibles, válidas ara cualquier máquina térmica que intercambia calor con dos fuentes a distinta temeratura. Como ya se ha indicado, las transformaciones que comonen el ciclo de Carnot son reversibles, or tanto ideales e irrealizables en la ráctica, no obstante el cálculo del COP corresondiente a este ciclo nos indicará, or comaración con el encontrado en una instalación real, lo alejados que nos encontramos de las condiciones ótimas. La imosibilidad de realización de una máquina que describa el ciclo de Carnot conlleva una serie de modificaciones con resecto a éste. Un rimer aso es la definición del llamado ciclo de una máquina erfecta. Q 5 6
/09/05 FASES DE ESTUDIO. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo T Exansor MÁQUINA PERFECTA Diferencias con el ciclo de Carnot La comresión ermanece ideal (isoentróica), ero su Q condensación Q evaoración Condensador Evaorador Q eva. Q cond. P consumida s P consumida Comresor inicio se roduce en forma de vaor saturado seco, ara evitar las entradas de líquido a comresor. La absorción y cesión de otencia térmica ermanecen, como en el ciclo de Carnot, reversibles. La exansión tiene lugar en un disositivo en el que el fluido exerimenta una transformación isoentálica, y or tanto irreversible. Esta última transformación elimina la característica de ciclo reversible en la máquina erfecta. 7 8 ASPIRACIÓN COMPRESOR Retorno de líquido RETORNO DE LÍQUIDO Es una de las fallas más comunes que encontramos en los comresores que han sufrido averías mecánicas. El retorno de líquido se roduce rincialmente cuando el suercalentamiento del gas en la succión del comresor está tendiendo a cero, debido al efecto detergente del refrigerante. Él es caaz de remover toda la elícula de lubricación de las artes móviles del comresor y, consecuentemente, rovocará su rotura mecánica. Cuando analizamos las iezas dañadas del comresor, odemos observar que el retorno de líquido deja las iezas limias, o sea, sin aceite y sin señales de carbonización. Es lo que odemos observar en la foto, donde este comresor sufrió avería mecánica debido al bajo valor del suercalentamiento. Se ercibe que la rimera ocurrencia es el enclavamiento de los aros de comresión en los istones, or causa del aumento de la resistencia de fricción rovocada or la ausencia de lubricación. En la foto aarece también otra arte dañada de este mismo comresor, el conjunto bomba de aceite. 9 0 5
/09/05 RETORNO DE LÍQUIDO DAÑO CAUSADO POR GOLPE DE LÍQUIDO En rimer lugar, veamos el daño mecánico que está tíicamente asociado a las resiones hidrostáticas resultantes del gole de líquido. El desmontaje de esos comresores reveló la avería de la válvula de succión del conjunto lato de válvulas causada or la tentativa de comrimir refrigerante líquido o aceite, o ambos. Una vez que un líquido es virtualmente no comresible, el gole resultante daña de modo característico las válvulas de succión de ese conjunto. En este ejemlo edazos de la válvula de succión rota han sido encontrados resos contra la válvula de descarga del lado del aso del gas. Ese es un caso muy serio. Más frecuentemente la válvula de succión ermanece íntegra, mas se roduce una fisura radial o se fragmenta cuando se la somete al gole de líquido. La avería del istón se rodujo cuando entró en contacto con los edazos de la válvula rota. Cuando se encuentra este tio de avería, los cilindros son generalmente dañados al unto de recisar ser rearados. De la misma forma, otros comresores ueden resentar daños de la válvula de succión y descarga del conjunto lato de válvulas cuando se los somete a casos severos de gole de líquido. RETORNO DE LÍQUIDO. CAUSAS Retorno del refrigerante líquido al comresor debido a válvula de exansión imroia Una válvula de exansión no debidamente súer dimensionada se transforma en una de las rinciales causas de retorno de líquido y del gole resultante. Mientras que una válvula súer dimensionada odrá funcionar bien en carga total, odrá erder el control cuando trabaje en carga arcial. La razón es que en carga arcial, la válvula intenta mantener el control en su ajuste de suercalentamiento, sin embargo, or su uerta súer dimensionada asa más líquido que el necesario. Eso sueralimenta el evaorador, causando una ráida reducción en el suercalentamiento del gas de salida. En resuesta a eso, la válvula se cierra hasta que el suercalentamiento sea restablecido. En ese unto la válvula se abre nuevamente ara dar aso a una nueva orción de líquido. Esa condición de búsqueda (hunting) ermitirá que el líquido fluya a través del evaorador y ara dentro de la línea de succión, donde odrá entrar en el comresor y causar daños. Es imortante notar que algunos roductos comactos son intencionalmente royectados con válvulas de exansión reguladas ara mayores caacidades. Retorno de refrigerante líquido debido a la carga reducida Flujo reducido de aire a través de una serentina de exansión directa, resultando en el congelamiento de la serentina. El hielo aísla las suerficies de transferencia de calor de la serentina, lo que reduce aun más la carga que la serentina realmente ercibe. En tal condición de carga reducida de la serentina, la válvula de exansión generalmente no es caaz de un control reciso. De cierta forma es súer dimensionada ara el trabajo que está intentando hacer y se comortará de la misma manera como ya ha sido descrito en relación a la válvula de exansión imroiamente dimensionada. Un enfriador de agua mostrará los mismos síntomas cuando esté muy incrustado o el flujo del agua sea bajo. Retorno del refrigerante líquido debido a la mala distribución del aire en el evaorador Problema semejante odrá encontrarse cuando la distribución de aire a través de la fase de un evaorador no sea uniforme. La mala distribución del aire causa una carga desigual de los circuitos de refrigerante de la serentina, resultando en una temeratura de succión irregular, sentida or la válvula de exansión. Eso uede hacer que aún una válvula adecuadamente royectada busque, oscile ( hunt ), resultando en un osible retorno de refrigerante líquido a través de los circuitos oco cargados. La mala distribución del aire se uede evidenciar or untos congelados o or la aarición de untos de condensación en la serentina. RETORNO DE LÍQUIDO. CAUSAS Migración de Refrigerante Migración es el resultado de la condensación de refrigerante en la arte más fría del sistema. El refrigerante que circula como vaor se retiene en forma de líquido cuando se condensa en el local más frío. Generalmente ese local es el comresor o el evaorador cuando las temeraturas ambientes externas son elevadas. La migración del refrigerante constituye una reocuación, rincialmente en las instalaciones donde el comresor se encuentra instalado en un nivel más bajo que el del evaorador y/o condensador. Para evitar la migración de líquido refrigerante roveniente del condensador, se recomienda instalar una válvula de retención en la línea de descarga del comresor. Es interesante también colocar un sifón invertido en la entrada del condensador. En el caso del evaorador, se recomienda siemre que sea osible hacer la arada del comresor or recolección de líquido (um down system). Sería muy imortante también instalar un sifón invertido inmediatamente en la salida del evaorador, ya que odrá haber unaérdidaatravésdelaválvulasolenoidedelalíneadelíquido,laquenormalmenteno osee un cerramiento absolutamente hermético. Eso significa que, con el tiemo, un gran orcentaje de carga de refrigerante terminará entrando en el evaorador y será imedida de entrar or la succión a través del sifón. Obviamente, en caso que esta recomendación no sea tomada, grandes cantidades de refrigerante líquido retornarán a través de la línea de succión y /o descarga, resultando en gole de líquido y dilución de aceite. Es imortante notar que la migración de líquido refrigerante ara el comresor no se evitará or la existencia de un calentador del aceite del cárter. La cantidad de refrigerante involucrada suerará la caacidad del calentador y consecuentemente romerá el comresor or gole de líquido. Retorno de Aceite El retorno de aceite uede ser tan erjudicial como el retorno de refrigerante líquido aenas en términos de gole de líquido. Un sistema de tuberías bien royectado romoverá un movimiento uniforme del aceite, evitando la acumulación de goles nocivos de aceite. MÁQUINA PERFECTA Comresión Comresión isoentróica, or tanto reversible, no obstante a diferencia del ciclo de Carnot, va a tener lugar en la zona de vaor recalentado, lo cual se debe, como osteriormente se comentará, a la búsqueda de un aumento en la caacidad de roducción de frío y a evitar los goles de líquido. El equio destinado a efectuar esta transformación es el comresor, el cual realiza dos imortantes funciones, or un lado la absorción de los vaores de baja resión, en estado "" (vaor saturado seco) y or otro la descarga osterior de éstos a una resión suerior, tal que uedan ser condensados con la ayuda de un medio exterior. Además, aseguran la circulación del fluido a través de todos los órganos de la instalación. Exansor Condensador Evaorador Q cond. Q eva. P consumida Comresor Asiración; vaores a B.P. de evaorador Descarga; vaores A.P. a Condensador 6
/09/05 MÁQUINA PERFECTA Condensación Los vaores suministrados or el comresor son condensados de manera reversible, lo cual recisa que la diferencia de temeraturas, entre el fluido circulante or la instalación y el agente exterior de condensación, sea de un infinitésimo. El equio revisto ara este fin es un intercambiador de calor llamado "condensador" que, en razón de la consideración de transformación reversible, necesita una diferencia de temeraturas de un infinitésimo entre los fluidos, es decir debe oseer una suerficie de termotransferencia infinita. Este cambiador de calor, or hiótesis, no debe introducir érdidas de carga en el circuito refrigerante. MÁQUINA PERFECTA Exansión Se disone de un disositivo de exansión, en la que se roduce, sin intercambio de energía mecánica o calorífica (isoentálica), el aso de la alta a la baja resión. Esta transformación es de carácter irreversible, en contraste con la que se roducía en el ciclo de Carnot. La utilización de este elemento, en lugar de un exansor isoentróico que rodujese un roceso reversible, conduce a una érdida de energía mecánica y a un descenso en la eficacia. A esar del beneficio que, desde el unto de vista energético, suone la utilización del exansor isoentróico, éste no es usado en la ráctica or su comlicado mantenimiento y la dificultad de arovechamiento del trabajo que desarrolla, en su lugar se utiliza el disositivo de exansión isoentálico cuyas virtudes rimordiales son simlicidad y fiabilidad Exansor Q cond. Condensador Evaorador Q eva. P consumida Comresor Vaor A.P. de comressor Liquido A.P. a exansor Exansor Q cond. Condensador Evaorador Q eva. P consumida Comresor Liquido A.P. de condensador Mezcla L-V B.P. a evaorador 5 6 MÁQUINA PERFECTA Evaoración La disosición de un segundo intercambiador de calor, en el que or adición de calor de la fuente fría se consigue la vaorización a baja temeratura del orcentaje de líquido en condiciones "". Este equio se denomina "evaorador" y su funcionamiento es similar al del condensador, es decir, el roceso es reversible y sin érdidas de carga, lo que va a imlicar también ahora una suerficie infinita. La salida de este evaorador roduce un vaor en estado de saturación, ato ara ser absorbido or el comresor. Elementos básicos CONDENSADOR Q cond. Condensador EXPANSOR COMPRESOR Exansor P consumida Comresor Vaor + liquido de exansor EVAPORADOR Evaorador Q eva. Vaor de refrigerante a comresor 7 8 7
/09/05 FASES DE ESTUDIO. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo MÁQUINA REAL Diferencias con la máquina erfecta Se ha visto en el estudio de una máquina erfecta una serie de circunstancias que van a imedir su construcción real, or lo cual, en la ráctica, no sólo hay que alejarse del ciclo reversible de Carnot sino incluso del de la máquina de comresión erfecta. La comresión no es ideal (isoentróica) en los equios reales, or lo que la transformación tendrá lugar con aumento de entroía. La absorción y cesión de otencia térmica no ueden realizarse de manera reversible, ues esto suondría trabajar con una diferencia de temeraturas de un infinitésimo entre el fluido frigorígeno y el fluido externo, or lo que se necesitarían suerficies infinitas ara lograrlo. En la ráctica no sólo hay que alejarse de la máquina de Carnot, sino incluso de la máquina erfecta. 9 0 MÁQUINA REAL Desviaciones con el ciclo básico Efectos debidos a la resencia de un comresor real no isoentróico. Incrementos de temeratura finitos en evaorador y condensador, y or tanto rocesos no reversibles. Recalentamiento del vaor antes de la asiración en comresor. Posible subenfriamiento del líquido en entrada al exansor. Eventual resencia de un disositivo (intercambiador intermedio) de subenfriamiento de líquido y recalentamiento del vaor. MÁQUINA REAL Evaorador. Salto térmico En el caso del intercambiador que recibe calor de la fuente fría, la diferencia de temeraturas entre la del fluido refrigerante y la temeratura media del fluido a enfriar, va a deender del fin buscado, distinguiéndose dos casos generales: Enfriamiento de un líquido (frigorífero); en este caso si definimos una temeratura media "Tm" en el frigorífero, y siendo "T 0 " la temeratura de evaoración, se suelen contemlar unos valores de T m -T 0 =5 7ºC. Enfriamiento del aire de una cámara; en las instalaciones en que el aire se utiliza como agente de transorte de calor entre la carga almacenada y el circuito de enfriamiento, es necesario considerar que el aire es una mezcla gaseosa de dos comonentes, aire seco y agua, or lo que la definición de un estado recisa el conocimiento de dos variables sicrométricas (dado que se considera la resión total de la mezcla como una constante), que en general son la temeratura seca y la humedad relativa. La humedad relativa es articularmente imortante en las cámaras de almacenamiento de roductos erecederos, ya que va a incidir sobre las érdidas de masa del material, y este grado de humedad es el factor rimario a la hora de adjudicar el valor de la diferencia entre "T m "y"t 0 ". T P K T K P 0 T M T m T0 s 8
/09/05 MÁQUINA REAL Condensador. Salto térmico Por lo que se refiere a la suerficie de trasaso de calor, esta no uede ser infinita, y dado que en base a la teoría de transferencia de calor uede escribirse que: U S Qk = U S ΔT lm = coeficiente global de transmisión de calor = suerficie de transferencia de calor Tlm = incremento de temeratura logarítmico medio, valores normalmente adotados de: 5 a 7 C en caso de agua como agente condensante 0 a 5 C en caso de aire como agente condensante En la ráctica se utiliza la diferencia de temeratura en la entrada a condensador, es decir entre la temeratura corresondiente a la resión de condensación y la temeratura de entrada del agente frío de condensación, debe tomarse un valor adecuado ara el funcionamiento económico de la máquina y el costo de la instalación, siendo los valores normalmente adotados ara condensadores de aire comrendidos en el rango de 8º C. Q k = U S ΔT lm INCREMENTO LOGARÍTMICO MEDIO ΔT ΔT ΔT ln ΔT T saltos de temeratura en salida y entrada al equio. MÁQUINA REAL Proceso de condensación FASES DE ESTUDIO La cantidad de vaor cedida or el fluido refrigerante al agente condensante es: Qk = M c (TS - TE) Analizando la exresión anterior, se observa que a mayor caudal M corresonde un menor calentamiento del agente condensante, no obstante esta diferencia se ve limitada or los siguientes factores: El aso del agente condensante recisa un consumo de energía mecánica (bomba ara el agua, ventilador ara el aire), que es tanto mayor cuanto mayor sea la masa circulante, encontrándose unas érdidas de carga en el intercambiador roorcionales al cuadrado del caudal y un consumo de energía roorcional al cubo de ese caudal. El consumo de agente condensante uede ser un factor de coste en la instalación, or lo que es necesario la otimización de este gasto.. Ciclo de Carnot. La máquina erfecta de comresión simle. La máquina real de comresión simle. Elementos integrantes. Primer rinciio 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo 5 6 9
/09/05 Elemento genérico. Cada uno de los equios básico de una instalación de comresión simle, en los que se roducen las transformaciones que comonen un ciclo, uede ser considerado como un sistema abierto con una entrada y su corresondiente salida, ya que se encuentran disuestos en serie. E V E T E E Z E Q W S Z S V T S S S 7 Balance en elemento genérico. El sistema recibe una energía mecánica "W" y una calorífica "Q", ambas del exterior, or lo que la ecuación de la energía en régimen ermanente viene dada or: ve vs ue + + g ze + E VE + Q + W = us + + g zs + S VS Energías; u = interna; v / = cinética; g.z = otencial;.v = de deslazamiento. Desreciando las diferencias de energías cinética y otencial: h (entalía) = u + V he + Q + W hs 8 Alicación del balance energético Intercambiadores de calor Q = hs - h Comresores adiabáticos Válvulas de exansión Por tanto, en el camo del frío los diagramas utilizados son los de resión-entalía. E W = hs - h h E = h S E C D; Comresión. D A; Condensación. A B; Exansión no ideal isoentálica. B C; Evaoración. DIAGRAMA P-h. SEMILOGARÍTMICO 9 0 0
/09/05 DIAGRAMA P-h. ISOBARAS/ISOENTÁLPICAS DIAGRAMA P-h. ISOTÍTRICAS (Título vaor cte.) DIAGRAMA P-h. ISOTERMAS DIAGRAMA P-h. ISÓCORAS
/09/05 DIAGRAMA P-h. COMPRESIONES IDEAL Y REAL DIAGRAMA P-h 5 6 K M m 0 SALTOS TÉRMICOS INTERCAMBIADORES Diagrama P-h T M = tem. media del agente de condensación. T m = tem. media del agente a enfriar. T K T T M T m T 0 T ' h Para la máquina erfecta: Δ T = 0 (K = M) Δ T = 0 ( = ) Para la máquina real. Incrementos de temeratura finitos. t = m K tr = > t 0 M m 0 Subenfriamiento de líquido. El subenfriamiento del líquido revio al disositivo de laminación, roducido bien en el roio condensador, bien en disositivos ideados a tal efecto, es un roceso muy corriente, ya que el condensador suele ser un intercambiador róximo al tio "contracorriente", en el que la entrada del agente condensante intercambia calor con el último tramo del condensador. La entrada de líquido en la válvula de exansión se efectúa ahora en el estado del unto "5", siendo el subenfriamiento efectuado desde "" a "5". El límite teórico, al cual uede llegar la temeratura del fluido refrigerante, es la temeratura de entrada del fluido de condensación, esto es en la ráctica imosible, ya que imlica un comortamiento ideal del disositivo intercambiador, or lo que siemre existirá una diferencia mayor que cero entre las temeraturas de "5" y la de entrada del agente condensante, esto es: T - Tf 5 > 0 7 8
/09/05 Subenfriamiento de líquido. Subenfriamiento de líquido. Agente externo CO T f corresonde a la del agente externo de condensación T f corresonde a la del agente externo de condensación K T' f 5 ' K T' f 5 ' 0 6 0 6 El subenfriamiento roduce un aumento del salto entálico en evaorador (h - h 6 ), lo que es beneficioso ara el COP; además asegura entrada al exansor en fase líquida. h h 9 50 Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) La tecnología LPA modifica un sistema de comresión introduciendo una bomba de circulación a la salida del disositivo de condensación, de tal manera que aumenta la resión en la entrada a la válvula de exansión, consiguiendo de esta manera un subenfriamiento del líquido a la entrada del disositivo. Mediante el incremento de resión del refrigerante líquido, aumenta la temeratura de saturación asociada debido a dicho incremento, mientras que la temeratura real del líquido no varía areciablemente. El líquido, or tanto, está subenfriado y no se evaora or influencia de las érdidas de resión en la tubería de líquido. [Bar] sb ev K 0 5 6 Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) h [kj/kg] 5 5
/09/05 Subenfriamiento de líquido. La amlificación de resión de líquido (LPA) EFECTO DE LA BOTELLA ACUMULADORA Influencia sobre el subenfriamiento Eliminación del subenfriamiento en la botella acumuladora. 5 5 Entrada exansor ( < K ) ALTURA HIDROSTÁTICA Influencia sobre el subenfriamiento Altura condensador- exansor Condensador ( K ) Si la salida del condensador ( K ) es saturada, si la entrada a exansor tiene una resión ( ) inferior, uede dar como resultado mezcla bifásica. h Recalentamiento del vaor. Tios El recalentamiento de vaor, desde el estado de saturación hasta un unto en la zona de vaor recalentado, uede tener lugar: En el mismo intercambiador (evaoradores secos), en los cuales todo el líquido asa a vaor y sufre además un recalentamiento osterior antes de su salida del equio. Este recalentamiento se llama útil ues se roduce or adición de calor desde la carga almacenada. En el trayecto de asiración del comresor, desde la salida del evaorador hasta la entrada del comresor. Si el recalentamiento se efectúa en la cámara sigue siendo un efecto útil, ero si tiene lugar fuera de ella se denomina "menos útil", dado que este roceso, aún no absorbiendo calor de la carga, uede deberse a un enfriamiento de órganos anejos, tales como devanado de motores eléctricos, enfriamiento de muelles de carga, etc, lo que es beneficioso. 55 56
/09/05 Recalentamiento del vaor Recalentamiento del vaor K 8 En caso de recalentamiento de vaor, la entrada al comresor se roduce en estado "7". Este recalentamiento de vaor asegura la ausencia de líquido en la entrada del comresor y or tanto la imosibilidad de goles de líquido, no obstante, al aumentar la temeratura antes de la comresión, será mayor la de los vaores de escae al finalizar ésta, aumento que será rogresivo debido al incremento de la inclinación de las isoentróicas a medida que nos adentramos en la zona de vaor recalentado, este efecto roduce, en algunos refrigerantes, unas temeraturas finales de comresión elevadas, y or tanto eligrosas ara la vida del equio. En efecto, si consideramos comortamiento erfecto ara el fluido refrigerante y transformación adiabática: T 8 T7 0 n n K c n = c v 0 7 or lo que la temeratura final será mayor cuanto mayor sea la tasa de comresión y la relación de calores esecíficos. Evidentemente, todo recalentamiento se acomaña de un aumento de volumen esecífico, or lo que si el disositivo de comresión es del tio volumétrico, el caudal másico circulante disminuye con este aumento de temeratura en el vaor. Recalentamiento =T 7 -T h 57 58 Recalentamiento útil. Tios evaoradores Recalentamiento menos útil Evaorador seco Con recalentamiento útil. Evaorador inundado Sin recalentamiento útil. Recalentamiento or enfriamiento del devanado del motor eléctrico. Recalentamiento or entrada calor en tubería conexión evaoradorcomresor. 59 60 5
/09/05 Recalentamiento del vaor. Alta tem. descarga Subenfriamiento y recalentamiento combinados El recalentamiento de vaor y el subenfriamiento de líquido uede ser conseguidos simultáneamente mediante un intercambiador intermedio Condensador Condensador Exansor Evaorador Comresor Exansor Evaorador I.I. Comresor 6 6 CICLOS CON Y SIN INTERCAMBIADOR INTERMEDIO SITUACION DEL INTERCAMBIADOR [bar] c L ( T T ' ) c v ( T ' T ) h [kj/kg] 6 6 6
/09/05 Asectos ositivos: CARACTERISTICAS BASICAS Asectos negativos: Sub. y recalentamiento conjunto Balance energético en el intercambiador intermedio. Aumento de la roducción frigorífica esecífica en evaorador. Subenfriamiento del liquido, revio a exansor, lo que asegura únicamente fase líquida a la entrada del disositivo. Seguridad de únicamente fase vaor en asiración a comresor. Aumento del volumen esecífico en asiración, con el descenso consiguiente del caudal másico movido or comresor. Aumento de la temeratura final en descarga de comresor. Aumento del salto entálico en comresor. Aumento de las érdidas de carga tanto en la línea de líquido como en la de asiración. Posible trama ara el retorno de lubricante. (T7 - T ) = c (T - T ) cv L 5 en la que c v y c L son los calores esecíficos medios de las fases vaor y líquido, y dado que: c v el salto de temeraturas en la fase vaor suera al que se roduce en la fase líquida. c L 65 66 APREA DOMANSKY CRITERIOS TEORICOS AUMENTO DEL COP T ' h h h h λ c T0 v ' K T T 0 c c L v T v' v v T T ' ' Pérdidas de carga En la máquina real, el aso de fluido refrigerante a través de los distintos comonentes se acomaña de unas érdidas de carga, las cuales van a deender: Del tio y dimensiones de los intercambiadores elegidos como condensador y evaorador. De las dimensiones (longitud y diámetro) de las tuberías que interconectan los distintos comonentes, así como de la resencia de singularidades. De las roiedades físicas del refrigerante 67 68 7
/09/05 Pérdidas de carga Esquema total del ciclo real t = K + - o K resión o h entalía 69 70 FASES DE ESTUDIO PRINCIPALES PARÁMETROS. Ciclo de Carnot MAGNITUDES CARACTERISTICAS. La máquina erfecta de comresión simle ESPECIFICAS TOTALES PRESTACIONES. La máquina real de comresión simle PROD. FRIGOR. ESPECIF. POTENCIA FRIGORIF. COP. Elementos integrantes. Primer rinciio PROD. FRIGOR. VOLUM. CAUDAL MASICO POTENCIA FRIGORIF. ESPECIF. 5. Requerimientos necesarios. 5. Parámetros de cálculo TRABAJO ISOENTROP ESPECIF. POTENCIA MECANICA PRECISA TRABAJO REAL ESPECIF. POTENCIA CALORIF. CONDENS. 7 7 8
/09/05 MÁQUINA PERFECTA Evaoración ANÁLISIS DEL COP Pérdidas resecto a CARNOT Q K Condensador P c Exansor Magnitudes esecíficas: Magnitudes totales: Producción frigorífica esecífica Potencia frigorífica q 0 = h h (rec. útil) Q 0 = m 0 (h h ) (rec. útil) q 0 = h h (rec. menos útil) Q 0 = m 0 (h h ) (rec. menos útil) Producción frigorífica volumétrica Caudal másico m 0 q v = q 0 /v Potencia casos ideal y real Trabajo esecífico isoentróico P s = m 0 (h s h ) ; P C = m 0 (h h ) w s = h s h Potencia cedida en condensador Q K = m 0 (h h ) COP COP = Q 0 / P C 7 m 0 Evaorador Q 0 Comresor Trabajo real Trabajo ideal Pérdidas laminación y de trabajo de exansión Pérdidas desrecalentamiento 7 ANÁLISIS DEL COP Influencia de la temeratura crítica del fluido ANÁLISIS DEL COP Influencia de las curvas de saturación T T T T s Cuando mayor sea la temeratura crítica menor es el orcentaje de érdidas, or lo tanto mayor es el COP. s a s A igualdad de temeratura crítica deende de la estructura de las curvas de saturación, si fuesen verticales se tendría el ciclo de Carnot. En la realidad no son verticales, el calor latente baja al aumentar la temeratura. La forma de las curvas de saturación deenden del calor esecífico. b s 75 76 9
/09/05 ANÁLISIS DEL COP Influencia de la endiente de las curvas de saturación ANÁLISIS DE LA TEMPERATURA DE DESCARGA G. Morrison [The shae of the temerature-entroy saturation boundary, Int. J. Refrig, vol. 7, nº 7. 9-50.99] demostró la relación de la estructura de las curvas de saturación, la cual es función de las roiedades termodinámicas del fluido, su exresión es: dt ds sat cv P dv T T v dt sat El término (P/T) v es ositivo ara la mayoría de los líquidos y vaors saturados, or su arte el término (dv/dt) sat es ositivo ara líquidos saturados y negativo ara vaores saturados. Analizando los términos, la magnitud de la variación del calor esecífico molar a volumen constante es la de mayor influencia sobre la endiente de la curva de saturación. En el caso del vaor la endiente uede ser ositiva o negativa. Para el líquido, según la ª ley no uede ser negativa. El calor esecífico molar, or tanto, es redominante, y su valor deende de la comlejidad molecular,en menor grado del eso molecular. Cuanto mayor es la comlejidad mayor es el calor molar, rincialmente ara el vaor saturado cuya endiente uede ser negativa ara bajas resiones y ositiva con altas resiones. Para todos los fluidos, exceto el amoníaco, las érdidas en la exansión son siemre sueriores a las de desrecalentamiento, or lo que un valor alto del calor esecífico del líquido es conveniente. - La temeratura final del roceso de comresión deende del exonente isoentróico (n = c /c v ),el cual a su vez del eso molecular, así: Caso a, R-77 (Amoníaco), eso molecular = 7; n.. Temeratura final elevada. Caso b, R-, eso molecular = 5, n =.. Temeratura final baja. Caso c, R-6fa, eso molecular = 5, n <.. Estado final bifásico. ln P n ln v desc. as. / P / v as desc.. a b c 77 78 PERDIDAS POR RECALENTAMIENTO Caso de tio útil En caso de roducirse un recalentamiento del tio útil, el salto entálico en evaorador aumenta(área a ), lo que es conveniente, sin embargo aumenta el trabajo necesario en comresión (área b ), con un resultado global negativo. Otro efecto negativo es el aumento de volumen esecífico en asiración a comresor. El recalentamiento útil está limitado or la temeratura del roducto a enfriar, así que es equeño. En caso de recalentamiento menos útil el efecto negativo es mayor, ya que no hay aumento del salto en evaorador. SIMPLE Nevera. Comresores en tandem 79 80 0
/09/05 SIMPLE Cámara indeendiente carnicería SIMPLE Dos evaoradores a diferente temeratura condensador comresor evaorador exansor 8 8 SIMPLE Intercambiador intermedio SIMPLE EVAPORADOR INUNDADO EVAPORADOR EXPANSOR INTERCAMBIADOR INTERMEDIO CONDENSADOR COMPRESOR 8 8
/09/05 Intercambiador interior SIMPLE Bomba de calor reversible Válvula vías Intercambiador exterior Válv. By-ass Exansor Comresor Válv. By-ass Exansor MODO FRÍO Intercambiador interior Válvula vías Intercambiador exterior Válv. By-ass Exansor Comresor Válv. By-ass Exansor 85 MODO CALOR 86 resión entalía 87