Sistema de presiones múltiples Introducción
Un sistema de presiones múltiples es un sistema de refrigeración que tiene dos o más bajas presiones. presiones. Por baja presión se entiende la presión del refrigerante entre la válvula de expansión y la de admisión en el compresor. El sistema de presiones múltiples se distingue del de presión única en que este tiene solamente una baja presión. Un sistema de presiones múltiples puede puede encontrarse, por ejemplo, ejemplo, en una lecer!a donde un evaporador funciona a "#$% "#$%& & para endurecer el elado, elado, mientras que otro evaporador trabaja a '% & para enfriar la lece. En este cap!tulo se consideran solamente sistemas de presiones múltiples con dos bajas presiones. (in embargo, embargo, los principios principios desarrollados aqu! aqu! se aplican a sistemas sistemas de más más de dos bajas presiones. (e estudiaran primeramente dos mejoras que llevan frecuentemente los sistemas de presiones múltiples que son el depósito separador y el enfriador de vapor, y a continuación se estudiaran las combinaciones de varios evaporadores y compresores.
Separación de vapor saturado
(e obtiene un aorro de la población necesaria en la refrigeración si el vapor saturado que se produce al expandir el l!quido refrigerante se separa y se comprime antes de la expansión completa. &uando un l!quido saturado se expande a trav)s tr av)s de una válvula de expansión, el porcentaje de vapor vapor aumenta progresivamente. progresivamente. El proceso de expansión expansión según se muestra muestra en el diagrama presión * entalpia de la fig.+" ' se realia de ' a -. El punto representativo del estado en el proceso de expansión va acia una región de mayor porcentaje de vapor. El punto -, final de la expansión, podr!a alcanarse interrumpiendo interrumpiendo la expansión en # y separando las fases fases l!quido y vapor, que que son + y , respectivamente. /a expansión podr!a entonces entonces continuar, expandi)ndose expandi)ndose el l!quido en el estado + y el vapor en el estado asta la presión final llegando a $ y 0, respectivamente. /a combinación de refrigerante en los estados $ y 0 nos da el punto -. (i nos fijamos en la expansión de a 0, veremos que es antieconómica. En primer lugar, el fluido en el estado 0 no puede refrigerar, y en segundo lugar, abrá que gastar trabajo para comprimir al vapor y llevarlo a la presión que tenia . 1Por qu) no realiar una parte de la expansión separando el liquido del vapor, continuando continuando la expansión del liquido y comprimiendo el vapor sin permitirle una expansión adicional2 ./a instalación instalación para lograr esta separación separación se llama 3depósito separador4 separador4 5ver fg.+"-6.
/a expansión de ' a # se realia a trav)s de una válvula de flotador ./a válvula tiene, además, la misión de mantener un nivel constante en el depósito separador. Para comprimir el vapor ay que utiliar un compresor con la presión de admisión de 7 es decir, que se necesitan dos compresores en el sistema. El depósito separador debe separar al l!quido refrigerante del vapor. /a separación ocurre cuando la velocidad ascendente del vapor es lo suficientemente baja para que las part!culas de liquido caigan dentro del depósito. 8ormalmente, una velocidad del vapor menor de 9
m seg
facilitara la separación. Esta velocidad se
encuentra dividiendo el caudal en volumen de vapor por la superficie del l!quido. Enfriamiento intermedio del vapor
El enfriamiento del vapor entre dos etapas de la compresión reduce el trabajo de compresión por :ilogramo de vapor. Por ejemplo, en una compresión del aire en dos etapas, un enfriamiento de - a + en el diagrama presión" desplaamiento 5;ig.+"#6 economia trábalo. (i los procesos son reversibles, el aorro de trabajo está representado por el área rayada de la ;ig.+"#. /a ;ig. +"+ muestra como se representa el enfriamiento del vapor en el diagrama presión * entalpia de un refrigerante. /os procesos '"-"# y +"$, se realian siguiendo l!neas de entrop!a constante, pero la l!nea -"# es mas tendida que la +"$. Por consiguiente, entre las dos mismas presiones, en el proceso +"$ existe un incremento menor de entalpia, lo que expresa que se requiere menos trabajo que en -"#.
=> "
p1 ¿ ¿ 1−¿ ∫ vdp= n −n 1 p1 v 1 ¿
Entre las dos presiones dadas, el trabajo de compresión es proporcional al volumen espec!fico del gas que entra. &omo el volumen especifico en - ;ig. +"+, es mayor que para comprimir desde + asta $.
El m)todo mostrado en la ;ig.+"$b usa el l!quido refrigerante procedente del condensador para producir el enfriamiento del vapor. El gas a la salida del compresor de
baja, burbujea a trav)s del l!quido en el enfriador de vapor. El refrigerante abandona el enfriador de vapor en el estado +, es decir, en estado de vapor saturado. El enfriador del vapor con l!quido refrigerante disminuirá en general la potencia necesaria cuando se utilia amoniaco, pero la disminución de potencia cuando se utilia refrigerante '- es insignificante y prácticamente despreciable. /a presión óptima de enfriamiento del vapor en la refrigeración puede determinarse aproximadamente con la misma fórmula que se utilia para la compresión del aire? Pi > √ p s p d (iendo pi > presión en el enfriador de vapor,
Kg 2
cm
ps > presión de admisión del compresor de baja,
pd > presión de descarga del compresor de alta,
Kg 2
cm
Kg 2
cm
Para deducir esta ecuación se supone que un gas perfecto se comprime reversiblemente, es decir, que esta ecuación es solo aproximada para los compresores con refrigerante reales. Sistema con un evaporador y un compresor
El depósito separador y el enfriador de vapor se encuentran en la mayor!a de los sistemas de presiones múltiples, y se considera a continuación en varias combinaciones con distinto número de condensadores y evaporadores. &on un compresor y un evaporador, el depósito separador puede funcionar como se muestra esquemáticamente en la ;ig. +"0. Una válvula reductora de presión estrangula el vapor saturado, aci)ndolo caer su presión desde el valor intermedio asta el valor de la presión del evaporador. Este estrangulamiento es necesario porque en este caso, no ay un compresor para trabajar con una presión de admisión alta. El cálculo nos demostraba demostrar!a que el depósito separador no mejora el rendimiento del sistema. /a única ventaja que se tendr!a utiliando el depósito separador seria que se mantendr!a el vapor saturado en la sala de máquinas, sin tener que enviarlo al evaporador. El vapor saturado en los tubos del evaporador y la larga tuber!a de admisión no contribuyen a la refrigeración, sino que aumenta la ca!da de presión. Este sistema se usa muy raras veces. Sistema con dos evaporadores y un compresor
En mucos casos, un compresor sirve a dos evaporadores que trabajan a temperaturas diferentes. Este caso se presenta, por ejemplo, en una empresa que necesita refrigerar a baja temperatura en un proceso industrial, y que debe tambi)n proporcionar aire acondicionado a sus oficinas. /a ;ig. +"@a muestra una manera de disponer este sistema, y en la ;ig. +"@b, representa el correspondiente diagrama presión * entalpia. En la ;ig. +"@a, el evaporador para el acondicionamiento del aire trabaja a "'-%&, aunque trabajando a una temperatura más alta enfriar!a suficientemente al aire. Por otra parte, pueden surgir dificultades cuando un evaporador trabaja a temperatura innecesariamente baja? un evaporador que enfr!a aire para un acondicionamiento, puede acumular una escarca que interrumpa el flujo de aire, un evaporador que enfri) un l!quido puede congelarlo, y un evaporador que enfri) el aire de una abitación donde se almacena carne u otro producto alimenticio puede secar el aire tanto que el alimento se desidrate. Para salvar los inconvenientes del sistema de la ;ig. +"@a, se ace la modificación que se indica en la ;ig. +"Aa.Una válvula reductora de presión se instala despu)s del evaporador de alta temperatura, para regular la presión y mantener, por ejemplo, a +%&, la temperatura del evaporar del aire acondicionado. Sistema con dos compresores y un evaporador
/a compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio del vapor y separación del vapor saturado es frecuentemente la forma ideal de servir a un evaporador de baja temperatura. Este sistema requiere menos potencia que con un único compresor, y frecuentemente el aorro de potencia justificara el costo del equipo adicional. Sistema con dos compresores y dos evaporadores
El sistema con dos evaporadores trabajando a diferentes temperaturas se utilia muy frecuentemente en la refrigeración industrial. Puede conseguirse un buen rendimiento en la utiliación de dos evaporadores a temperaturas diferentes mediante un sistema de dos etapas de compresión con enfriamiento del vapor y separación del vapor saturado. Equipo adicional
B veces se acen modificaciones del equipo de enfriamiento del vapor y de separación del vapor saturado. (i la temperatura de descarga del gas del compresor de baja es suficientemente alta, un cambiador de calor enfriado por agua puede extraer parte del calor del gas antes de que entre en el enfriador de vapor principal. Un dispositivo que da el mismo que el mismo resultado que el separador de vapor saturado es el llamado subenfriador de liquido 5ver ;ig.+"'+6.El subenfriador de liquido enfr!a el liquido refrigerante por evaporación de una pequeCa fracción del liquido.
&omparado con el separador de vapor saturado, el subenfriador no puede enfriar al l!quido a alta presión. (i el l!quido debe fluir a trav)s de una larga conducción antes de que llegue a la válvula de expansión, ay menor posibilidad de que la ca!da de presión en la conducción aga que se evapore el l!quido, restringiendo asi el paso del fluido a trav)s de la válvula de expansión.
Resumen
En los sistemas de presiones múltiples, la separación y compresión del vapor saturado antes de la completa expansión disminuye la potencia consumida en los compresores. El enfriamiento del vapor entre etapas de la compresión reduce la potencia, por lo menos cuando el refrigerante es amoniaco. El enfriamiento del vapor disminuye la temperatura de de descarga del refrigerante a la salida del compresor de alta. Demperatura de descarga altas provocan la carboniación del aceite, y el gripado de las válvulas del compresor, y son causa de dificultades en la lubricación. &ualquier decisión sobre el empleo de sistemas en etapas múltiples debe basarse en un análisis económico. /os aorros de potencia deben compararse con los costos del equipo adicional para determinar si la inversión está justificada. ;actores tales como el refrigerante usado y el tamaCo del sistema tienen tambi)n influencia. Por ejemplo usando amoniaco, la temperatura m!nima práctica de evaporación es aproximadamente "-@,A%& en el caso de etapas única, "$#,@%& en el caso de dos etapas, y "0,0%& en el caso de tres etapas.
INTRODUCCION Un sistema de refrigeración se emplea para mantener cierta región del espacio a una temperatura menor que la de su entorno. El fluido de trabajo puede permanecer en una sola fase( refrigeración por gas) o puede aparecer en dos fases( refrigeración por compresión de vapor). Es común asociar la refrigeración con la conservación de a limentos y acondicionamiento de aire en los edificios. No obstante, las tcnicas de refrigeración se necesitan en muc!as otras situaciones. "omo son el empleo de combustibles l#quidos para la propulsión de co!etes, el o$#geno l#quido para la fabricación del acero, el nitrógeno l#quido para la investigación a temperaturas bajas( criogenia), y para tcnicas quirúrgicas y el gas natural licuado para transporte intercontinental son solo algunos ejemplos de los muc!os que la refrigeración es esencial
%&%'E% *E "+-E%&N *E /+- EN "%"* 0 EN E'% 12'&2E%
E$isten dos variaciones del ciclo b3sico de refrigeración por compresión de vapor. 2a primera es el ciclo en cascada, el cual permite el empleo de un ciclo de compresión d vapor cuando la diferencia de temperaturas entre el evaporador y e l condensador es muy grande. 2a segunda variación incluye el uso de compresión en tapas múltiples con interenfriamiento, lo que reduce el trabajo de compresión.
"&"2+ EN "%"*
E$iste discusión acerca de los mtodos para obtener temperaturas e$tremadamente bajas (criognicas) mediante una combinación de compresión de vapor y estrangulamiento. Esos mtodos son valiosos e indispensables para la licuefacción y solidificación de los gases. No obstante, e$isten aplicaciones industriales que e$igen temperaturas solo moderadamente bajas, por lo que se necesitan sistemas menos complicados. Esto es especialmente cierto cuando se desean temperaturas en el intervalo de 456 a 476 8" (49: a 49:: 8;). En general, por desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresión de vapor par obtener estas temperaturas moderadamente bajas. 2a diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este caso muy grande. En consecuencia, la variación de la temperatura de saturación con respecto a la presión d e vapor de un solo refrigerante no cumplir#a con los valores deseados par el evaporador y el c ondensador. ara superar esta dificultad sin abandonar la compresión de vapor, emplea un sistema en cascada. Un ciclo en cascada es simplemente una disposición en serie de ciclos simples de compresión de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura baja entregue calor al evaporador de un ciclo a temperatura superior, como se ven en la figura 6. un cuando a!# se muestran solo dos unidades, el empleo de tres o cuatro unidades en serie es practico, en caso necesario. Normalmente se utili
Una de las principales 3reas de aplicación de la termodin3mica es la
refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior !acia una temperatura superior. 2os dispositivos que producen la refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. +tros ciclos de refrigeración conocidos son los ciclos de refrigeración de gas en la que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorción de amoniaco donde e$iste me
"omo introducción al tema de ciclos de refrigeración por compresión de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodin3mica relacionados con el ciclo de "arnot inverso debido a su utilio de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por compresión de vapor, !aciendo las comparaciones correspondientes para as# lograr caracteri
ara sistemas de compresión de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del compresor, se realiC488#(bs'&-g!s(=
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en estado de vapor, proveniente del compresor de la etapa de baja, se ace burbujear en el refrigerante en estado l!quido depositado en el tanque separador. /os cálculos que se realian en estos ciclos son similares a los desarrollados en los ciclos estándares, a los que se adicionan los correspondientes a los flujos de refrigerantes que circulan por los ramales del sistema. Estos ciclos con presiones múltiples son empleados en los casos en que se requieran bajas temperaturas de conservación. El almacenamiento de elados y la congelación de carnes constituyen ejemplos donde se aplican estos sistemas.
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