UNIVERSIDAD TECNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERIAINGENIERIA MECANICA ELECROMECANICALABORATORIO DE MQUINAS TERMICASMATERIA: REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADONOMBRE: CONDORI ROJAS WILSON LUIS FECHA DE ENTREGA: MARTES 24 DE MARZO DE 2015ORURO BOLIVIA

COMBINACIN DE CICLOS DE UNA ETAPA CON SUBENFRIAMIENTO DE LQUIDO PARA EL CICLO DE TEMPERATURA BAJA

Existen aplicaciones industriales que exigen temperaturas moderadamente bajas. Esto es especialmente cierto cuando se desean temperaturas en el intervalo de -25 a -75 C (-10 a -100 F). En general, por desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresin de vapor para obtener estas temperaturas moderadamente bajas. La diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este caso muy grande.

Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relacin de compresin de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporacin realmente bajas (20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la lnea de succin y de lquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de deshielo para subir la presin de succin, aumentar el flujo msico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y as retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este ltimo mtodo se tiene que probar agregando slo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamao del sistema.

Por otra parte, al trabajar con temperaturas tan bajas, se requiere un aislamiento tanto de tuberas como de todas las partes que estn expuestas y que tengan una temperatura ms baja que la de roco y siendo este aislamiento suficiente en las partes donde la temperatura este debajo de 0C. Esto es para evitar condensacin y/o congelamiento de la humedad en el ambiente.

Por las altas presiones que tienen estos refrigerantes (R508B, R23, R744) se requieren vlvulas de alivio y/o un tanque de reexpansin como medida de seguridad para evitar que la alta presin dae la tubera o algn componente del sistema cuando se requiera mantenimiento o paros prolongados. En algunos casos se utiliza una unidad independiente para enfriar el recibidor y evitar que la presin aumente.

El diagrama anterior muestra un sistema en cascada donde se utiliza un intercambiador entre lquido y succin para aumentar la temperatura de retorno del gas al compresor tanto en la etapa de baja (R23) como en la etapa de alta (R404A). Tambin se pude apreciar el tanque de reexpansin. En el diagrama, el condensador del sistema con R404A puede ser enfriado por algn otro fluido o aire.

1.4.APLICACIONES

Hay varias industrias que se benefician de este tipo de sistemas. La industria farmacutica utiliza un proceso llamado liofilizacin donde utiliza temperaturas muy bajas en conjunto con bombas de vaco para congelar y luego sublimar H2O y as deshidratar el producto.

La industria aeronutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizndola en cmaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90C para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservacin de congelados de grandes bodegas o centros de distribucin. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biolgicos.

En procesos industriales se utiliza para la licuefaccin de gases para separarlos y poder almacenarlos.

En supermercados, grandes bodegas y centros de distribucin, ltimamente se pueden encontrar estos sistemas de refrigeracin de ltima generacin utilizando R744 (CO2) como refrigerante en los sistemas de baja temperatura. Los supermercados ms importantes en varios pases como Alemania, Australia, Brasil, Estados Unidos, Canad, Austria, Inglaterra, ente otros, han empezado a buscar alternativas para disminuir sus emisiones de CO2. Hay dos formas de disminuir estas emisiones, la primera es buscando sistemas ms eficientes donde las emisiones producidas por la energa elctrica utilizada por el sistema de refrigeracin y AC disminuyen; la segunda, es buscando refrigerantes alternativos o naturales que tengan un GWP (Potencial de Calentamiento Global) menor.

Un primer paso se ha dado en utilizar R744 (CO2) con un GWP de 1.0 en sistemas de refrigeracin de baja temperatura aplicndolos en cascada. Donde la parte de alta adems de condensar y rechazar el calor de la etapa de baja tambin es el sistema de media temperatura, ya sea con R134a, R404A o R717 (NH3). (Verdiagrama 3).

En lo que respecta a la eficiencia, esta es mejor en un 3-5% dependiendo del diseo y control del sistema. Por lo que estos sistemas se vuelven viables y competitivos por la parte ecolgica y por el lado de la eficiencia.

Los sistemas en cascada son una solucin para cuando se requiere trabajar con refrigerantes con alta presin como el CO2y cuando se requiere llegar a temperaturas muy bajas. Estos sistemas son ms eficientes que un sistema de una sola etapa cuando la relacin de compresin es muy alta.

Por otro lado, normalmente se utilizan refrigerantes llamados de alta presin cuyas caractersticas permiten que la presin de succin sea positiva y no sea necesario trabajar en vaco, aun cuando la temperatura saturada de succin (TSS) sea muy baja. Los refrigerantes R23 y R508B son los ms populares para este tipo de aplicaciones.

En la tabla PT se pude observar la temperatura saturada a diferentes presiones comparada con R22 o R404A. A -6.6C (20F) de temperatura se puede ver la diferencia en presiones.

TABLA 1 (COMPARATIVO TABLA PT R508B, R404A, R23 Y R22)

PRESIN-TEMPERATURA

PRESIN-TEMPERATURA

PRESIN-TEMPERATURA

PRESIN-TEMPERATURA

TEMP (F)

R508B (psig)

TEMP (F)

R404A (psig)

TEMP (F)

R-23 (psig)

TEMP (F)

R-22 (psig)

-125

0.5

-40

4.3

-125

7.8

-40

0.5

-120

3.1

-35

6.8

-120

4.0

-35

2.6

-115

6.0

-30

9.5

-115

0.3

-30

4.9

-110

9.3

-25

12.5

-110

2.9

-25

7.4

-105

12.9

-20

15.7

-105

5.8

-20

10.1

-100

16.9

-15

19.3

-100

9.0

-15

13.2

-95

21.4

-10

23.2

-95

12.7

-10

16.5

-90

26.4

-5

27.5

-90

16.7

-5

20.1

-85

31.8

0

32.1

-85

21.3

0

24.0

-80

37.8

5

37.0

-80

26.3

5

28.2

-75

44.4

10

42.4

-75

31.8

10

32.8

-70

51.5

15

48.2

-70

37.9

15

37.7

-65

59.3

20

54.5

-65

44.6

20

43.0

-60

67.8

25

61.2

-60

52.0

25

48.8

-55

76.9

30

68.4

-55

60.0

30

54.9

-50

86.8

35

76.1

-50

68.7

35

61.5

-45

97.5

40

84.4

-45

78.1

40

68.5

-40

109

45

93.2

-40

88.3

45

76

-35

121

50

103

-35

99.4

50

84

-30

135

55

113

-30

111

55

92.6

-25

149

60

123

-25

124

60

102

-20

164

65

135

-20

138

70

121

-15

180

70

147

-15

152

80

144

-10

197

80

173

-10

168

90

168

-5

216

90

202

-5

185

100

196

0

235

100

234

0

203

110

226

5

256

110

270

5

222

120

260

10

278

120

310

10

242

130

297

15

301

130

353

15

264

140

337

20

326

140

401

20

297

150

382

1.5.PRECAUCIONES DE OPERACIN Y DISEO

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estn dentro de los lmites de aplicacin, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue lquido por la succin. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es bsicamente un sistema de MT de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parmetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60C por precaucin de no daar el compresor, ya que este est hecho de fierro fundido.

Tambin se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la lnea de succin y de lquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de deshielo para subir la presin de succin, aumentar el flujo msico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y as retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este ltimo mtodo se tiene que probar agregando slo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamao del sistema.

1.6. ANALISIS DEL CICLO EN EL SOFWARE COLPACK

Diagrama de flujo

FIG 1.3 Diagrama de flujo para la combinacin de ciclos de una etapa con subenfriamiento de lquido

Cada sistema de refrigeracin consta de un compresor, un condensador, vlvulas de expansin y un evaporador. El uso de un intercambiador de calor en el ciclo de alta temperatura es opcional, as como el uso de un subenfriador de lquido en el sistema de baja temperatura tambin es opcional.

1.6.1 DESCRIPCIN DEL CICLO

Sistema de alta Temperatura: Desde el estado (1), el gas aspirado es comprimido por el compresor de alta y es descargado (2) en la tubera de descarga que lleva el refrigerante hasta la entrada del condensador (3). El refrigerante condensado y subenfriado en la salida del condensador (4) es llevado al intercambiador de calor o directamente a la vlvula de expansin. De la salida del intercambiador de calor (5), el flujo de refrigerante subenfriado se divide en dos partes:

La mayor parte se expande (6) en el evaporador de alta

Una pequea parte se expande en el subenfriador donde se evaporar y posteriormente subenfria el lquido refrigerante en el sistema de baja temperatura.

El refrigerante desde los evaporadores de alta pasa a travs de la tubera de succin (7), despus es mezclado con el refrigerante evaporado del subenfriador de lquido (8) y es llevado a travs de la tubera de succin (9) al intercambiador de calor o directamente a la entrada del compresor (1).

Sistema de Baja Temperatura: Del estado (1), el gas aspirado es comprimido por el compresor de alta y descargado (2) en la tubera de descarga que lleva el refrigerante a la entrada del condensador (3). El refrigerante condensado y subenfriado a la salida del condensador (4) es llevado al subenfriador de lquido. Del evaporador de baja (7) el refrigerante es llevado a travs de la tubera de aspiracin a la entrada del compresor de baja (1).

En las lneas de aspiracin el gas puede experimentar una cada de presin y un incremento de temperatura, en las lneas de descarga, el gas slo puede sufrir una cada de presin.

RESULTADOS