5. CICLO DE REFRIGERACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración 1.2. Simular un ciclo de refrigeración 1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración
2. INTRODUCCION Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 1, la corriente “1” contiene propano líquido saturado a una temperatura de 122 °F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La mezcla líquido-vapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de 0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1” en estado de líquido saturado
Figura 1. Ciclo de refrigeración
Válvula de Joule-Thompson En este tipo de válvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la temperatura, la fracción de vapor y la composición de la corriente “1” HYSYS hace un cálculo de evaporación espontánea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En una válvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 la expansión es isoentálpica, los flujos y las composiciones de las corrientes “1” y “2” también son iguales y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la caída de presión permisible en la
válvula, HYSYS calcula la presión de la corriente “2” y completa su especificación mediante un cálculo de evaporación espontánea P-H
Evaporador En el calentador que muestra la Figura 1, el propósito es vaporizar completamente la corriente “2”. Las corrientes “2” y “3” son de flujos y composiciones iguales, pero el calor suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. Un balance de energía en el evaporador es el siguiente.
F 2 h2 + Q = F 3 h3
(5.1)
Siendo F’s y h’s , los flujos de las corrientes y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico cedido a la corriente “2” El análisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la caída de presión en el intercambiador, su especificación completa es posible alcanzarla de dos maneras a saber: 1. Fijando el valor de “Q”, la ecuación (1) permite el cálculo de la entalpía de la corriente “3” y HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para su especificación completa 2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente “3”, HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea T-P y, por lo tanto, de su entalpía. Con la ecuación (1) se calcula, entonces, el flujo calórico requerido en el evaporador
Compresor El compresor que muestra la Figura 1 opera isoentrópicamente. Las corrientes “3” y “4” son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con la siguiente ecuación
k −1 ⎡ ⎤ k ⎛ ⎞ k P − W s = − 1⎥ P3V 3 ⎢⎜⎜ 4 ⎟⎟ ⎢⎝ P3 ⎠ ⎥ k − 1 ⎢⎣ ⎥⎦
(5.2)
Siendo k = C p /C v,, P’s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V 3, el volumen específico de la corriente de entrada
36
Pero el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrópica para el compresor o mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir
− W s ,real =
− W s η isoentrópica
= H 4,real − H 3
(5.3)
En este tipo de compresor el número de grados de libertad es C + 4. Si se especifica completamente la corriente de entrada, el número de variables de diseño requeridas es dos Si se fija la presión de la corriente de salida (o el ∆P en el compresor) y la eficiencia del compresor, se calcula su trabajo isoentrópico con la ecuación (5.2) y su trabajo real con la primera igualdad de la ecuación. La entalpía de la corriente “4” se calcula con la segunda igualdad de la ecuación (5.3). HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”.
Condensador El análisis de los grados de libertad el condensador del ciclo de refrigeración de la Figura 1 es el mismo del evaporador, es decir, C + 4. En este caso, se especifica la caída de presión y el ciclo converge satisfactoriamente. ¿Por qué converge con solo una especificación si se requieren dos adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada?
3. SIMULACION DEL CICLO DE REFRIGERACION 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componente: Propano c. Unidades Field 2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” cuando esté listo para empezar a construir la simulación 3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades 4. Introduzca las siguientes especificaciones a. Nombre b. Fracción de vapor c. Temperatura d. Flujo molar e. Composición (Fracción molar)
1 0.0 120 °F 100 lbmol/h 1.0
37
5. Instale una válvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Valve” y conéctela como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Conexiones de la válvula en el ciclo de refrigeración
6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Heater” y conéctelo como se observa en la Figura 3. ¿Cuántas variables se necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente especificado?
Figura 3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración
7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”.
38
8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la columna de la corriente “3” introduzca una fracción de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 °F ¿Cuánto es el calor requerido en el evaporador? 9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Compressor” y conéctelo como se observa en la Figura 4. ¿Cuántas variables se requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una presión de 200 psia a la corriente “4” ¿Por qué converge la simulación del compresor?
Figura 4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeración
10. Borre la presión de 200 psia introducida en la corriente “4” e instale un condensador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Cooler” y conéctelo como se observa en la Figura 5. ¿Cuántas variables se requieren especificar para que converja el conjunto Compresor-Condensador? 11. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 6.5 psi en el cuadro “Delta P” ¿Por qué converge el conjunto Compresor-Condensador con solo especificar la caída de presión en el condensador? 12. Haga clic en la pestaña “Performance” para que observe el comportamiento entre algunas variables a través del intercambiador. En la página perfiles o “Profiles” se observan los estados de temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía molar de la corriente enfriada. En la página Gráficos o “Plots” se observa, por defecto, la variación de la entalpía con la temperatura y se dispone de otras opciones de análisis entre variables. En la página Tablas o “Tables” se observa información similar 13. Despliegue la ventana de propiedades de la Válvula y verifique si su operación es isoentálpica
39
14. Despliegue la ventana de propiedades del Compresor y verifique si su operación es isoentrópica. Si no es isoentrópica, entonces, ¿Qué tipo de operación se realizó en el compresor?
Figura 5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración
4. CASO DE ESTUDIO El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (% molar). ¿Qué efecto, si lo hay, provoca esta nueva composición en el ciclo de refrigeración? Utilice el caso base para comparación y llene la siguiente tabla: Propiedad
Caso Base: 100 % C3
Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3
Flujo, kgmol/h
_________________
________________________
Condensador, kJ/h
_________________
________________________
Evaporador, kJ/h
_________________
________________________
Compresor, hp
_________________
________________________
40
