SISTEMA FRIGORÍFICO

TRABAJO FINAL DE TERMODINAMICA SISTEMA DE REFRIGERACION CHILLER

DOCENTE: JOSE LEOPOLDO RUIZ ARANGO

DIEGO LEON OBANDO ROJAS LUIS FERNANDO GONZALEZ VANEGAS WILLIAM DUQUE DUQUE RAFAEL AUGUSTO MONTOYA YURY BIBIANA GARCIA FRANCO SINDY LORENA CARMONA CASTAÑEDA

UNIVERSIDAD DE CALDAS INGENIERA MECATRONICA VII SEMESTRE 15 MAYO 2011 MANIZALES

SISTEMA FRIGORÍFICO Corresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos o más focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones. La constitución y configuración de un circuito de refrigeración no guarda un estándar establecido ya que varía conforme la aplicación y fluido utilizado. Estos varían desde el clásico enfriamiento por agua en motores de combustión interna por medio de radiadores, pasando por sistemas de refrigeración industrial para la industria de alimentos, hasta el control de temperatura de condensadores en centrales nucleares por medio de torres de refrigeración, entre muchas otras aplicaciones. El término de circuito de refrigeración se suele reemplazar por el de sistema frigorífico o sistema de refrigeración en aplicaciones de refrigeración industrial, debido a la complejidad de estos sistemas y –principalmente- a que están constituidos por dos o más intercambiadores de calor en los cuales el refrigerante sufre un cambio de estado en el cual el intercambio de calor latente es el que genera el fenómeno de refrigeración, así como al complejo sistema de control automático asociado.

Básicamente existen cuatro elementos que componen un sistema de refrigeración:    

evaporador o enfriador compresor condensador control de expansión

Según las necesidades de cada sistema a estos cuatro elementos básicos, se agregan más elementos con la finalidad de aumentar la eficiencia y control del equipo, así como para facilitar el mantenimiento y reducir los gastos de operación y mantenimiento.

ENFRIADOR DE CASCO Y TUBO

COMPRESOR: Es el equipo donde el refrigerante es succionado a baja presión y baja temperatura en forma de gas, el cual se comprime a una presión mayor para descargar gas con una temperatura mayor. La energía suministrada al compresor para su funcionamiento es transferida por un motor eléctrico, y a su vez al gas refrigerante comprimido. 1. COMPRESORES DE PISTON.- Estos se utilizan en la mayoría de las plantas frigoríficas y trabajan tanto con freones como amoniaco. Su funcionamiento es a base de un pistón dentro de una cámara de compresión que se mueve por la transmisión de polea y bandas acoplados a un motor y un cigüeñal.

COMPRESORES TIPO TORNILLO Son compresores de alta velocidad (3600 rpm), constan de dos rotores tipo tornillo, con un rotor macho acoplado directamente al motor y un rotor hembra. Su funcionamiento se basa en que al girar el rotor macho le transmite por inercia su movimiento al rotor hembra y entre sus lóbulos transportan el refrigerante succionado a baja presión y lo comprime al irse reduciendo el espacio por donde pasa y al final es expulsado a alta presión, de manera suave. La ventaja principal es que en estos compresores las partes en movimiento son mucho menos que las de un compresor de pistónes, por lo que el mantenimiento que requieren es menor; además son más eficientes.

CONDENSADOR: es el equipo donde el gas proveniente del compresor, cambia de estado de gas a líquido. Y para tal transformación, es necesario retirar calor del gas refrigerante descargado en el condensador. TIPOS DE CONDENSADORES 1.- Enfriados por aire 2.- Enfriados por agua 3.- Evaporativos

2. CONDENSADOR EVAPORATIVO : Reune los dos elementos aire y agua en un solo equipo, están formados por un serpentin el cual es bañado por agua recirculada por una bomba y un ventilador que hace circular aire a contra flujo del agua. QUE ES UN CHILLER? Es un enfriador de agua, aparato industrial que produce agua fría para el enfriamiento de procesos industriales. La idea consiste en extraer el calor generado en un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso finalmente debe quedar. Así, el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua, durante el paso por el proceso, la eleva. El agua ahora "caliente" retorna al chiller adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al proceso. Un chiller es un sistema completo de refrigeración que incluye un compresor, un condensador, evaporador, válvula de expansión (evaporación), refrigerante y tuberías, además de bomba de impulsión de agua desde el proceso, sistema electrónico de control del sistema, depósito de agua, gabinete, etc. Distintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales, presiones y temperaturas de agua. El agua se puede enfriar a temperaturas finales

que alcanzan los 20C o inclusive temperaturas negativas con la adición de anticongelantes, como por ejemplo -20C (20C bajo cero) COMO FUNCIONA? El chiller básicamente opera como lo indica el ciclo de Carnot: (Carnot: proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas) un fluido refrigerante (usualmente conocido a través de la marca comercial Freón) en estado líquido, se fuerza a experimentar su evaporación debido a una baja de presión en el sector conocido como evaporador adonde además y fundamentalmente, toma calor del agua con la que indirectamente se pone en contacto. Es exactamente en ese lugar adonde se produce el enfriamiento propiamente dicho del agua. Ahora el agua sigue camino al proceso por su circuito y el refrigerante en estado de vapor (mal denominado gas) es comprimido por un compresor frigorífico obligándolo a recorrer el circuito de refrigeración. Seguidamente el refrigerante, en estado de vapor, ingresa al condensador adonde se convierte al estado líquido liberando el calor que sustrajo en el evaporador. Para esto, en el caso de los chiller condensados por aire, el calor sale del refrigerante para pasar al aire ambiente por acción de unos ventiladores que fuerzan al aire a intercambiar con el refrigerante. En resumen, en el evaporador, el agua se enfría (baja su temperatura) mientras que el refrigerante se calienta (se evapora sin cambio de temperatura) en la exacta misma medida. Después, en el condensador, el refrigerante vuelve al estado líquido cediéndole calor al aire ambiente (que eleva su temperatura). Esta liberación de calor, al efectuarse en un lugar distinto al original (enfriamiento del agua), consigue un efecto neto de "movimiento de calor" del proceso al ambiente.

RENDIMIENTO Existen 2 mediciones de rendimiento de un chiller: a) El relacionado con el hecho físico de transferencia de calor y que solo depende de la naturaleza de forma que fijada una temperatura de condensación (la que el

refrigerante en estado de vapor se transforma en líquido y que está dada por la temperatura del aire ambiente), resulta necesario aumentar la potencia de compresión para obtener temperaturas más bajas en el agua, o dicho de otra manera y en virtud de que un chiller tiene un compresor cuya potencia no es prácticamente modificable, a medida que es necesario menores temperaturas de agua, menor será la capacidad de transferencia de la unidad. Este valor es calculable en forma teórica, es el máximo transferible y sirve como referencia. No obstante, el diagrama que sigue incluye las ineficiencias propias de los compresores de mejor rendimiento.

b) El relacionado con la "calidad" o de la construcción o su tecnología, que es Independientemente de a). En este sentido se ha definido el COP o Coefficient of Performance como el cociente de la energía que el chiller puede transferir vs la energía que recibe el compresor para poder conseguir el objetivo. Es usual encontrar valores entre 3.5 a 4. Algunas aplicaciones más comunes de los chiller La industria plástica: enfriador del plástico caliente que es inyectado, soplado, extruido o sellado. La industria de la impresión: rodillos templados enfriados debido a la fricción y hornos que curan la tinta, junto con las lámparas ultravioletas también para los propósitos de curado. La industria HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): a gran escala los sistemas de aire acondicionado bombean el agua enfriada las serpentinas e áreas específicas. Los sistemas de manejo de agua para cada área, abran y cierran el flujo de agua a través de áreas especificas manteniendo el aire en los cuartos a la temperatura deseada.

La industria del cortado con laser: la tecnología a creado maquinas que pueden cortar productos de acero muy específicos con el uso preciso de maquinas de corte con laser. Este laser opera a temperaturas muy altas y debe ser enfriados para funcionar correctamente. Funcionamiento del enfriador de agua La unidad enfriadora de agua opera mediante el ciclo de refrigeración a base de la compresión de un vapor, y lo que específicamente realiza es extraer el calor de un espacio y rechazarlo posteriormente a otro espacio seleccionado. Para ello cuenta con cuatro (4) componentes básicos y un fluido conocido como refrigerante que circula entre ellos. En el Evaporador se absorbe el calor para nuestro caso; se absorbe calor del agua y al hacer esto la misma baja si temperatura. Al desarrollar este proceso, el fluido que circula (el refrigerante) se evapora y lo toma el Compresor donde se le eleva la presión y la temperatura, para luego rechazar en el Condensador el calor absorbido a un medio seleccionado, en nuestro caso agua. Al rechazar el calor el refrigerante se condensa y pasa al dispositivo de control donde se le baja la presión y la temperatura y está listo para absorber calor nuevamente en el evaporador.

Un dispositivo reductor de presión del líquido refrigerante, por medio de una válvula de expansión, de retorno al evaporador, y que además controla el caudal. Refrigerantes: Para cada refrigerante existe una temperatura específica de vaporización asociada con cada presión, por lo que basta controlar la presión del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una relación similar entre la presión y la temperatura. Durante muchos años, uno de los refrigerantes más utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC) sintético se transformaba en vapor a -6,7 °C a una presión de 246,2 kPa (kilopascales), y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 °C. En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitación donde se sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeración. En un sistema doméstico de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado térmicamente. A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara continuamente produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor está controlado por un termostato o regulador. Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor y motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 °C con refrigerante-12 se necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador. El refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el refrigerante-22, eran los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, se ha descubierto que los CFC suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su papel en la destrucción de la capa de ozono. Según el Protocolo de Montreal (véase Contaminación atmosférica: Medidas gubernamentales), la fabricación de CFC debía finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFC se retirarán en el 2015 y el consumo de metilbromuro se limitará en un 25% en 1998. La industria de la refrigeración debería adoptar rápidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el metilcloroformo. Objetivos

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Obtener el gráfico del ciclo de refrigeración en diagrama P/h Freon 12.

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Evaluar QL= m12 * (h1 - h4)



Evaluar QH= m12 * (h2 - h3)

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Evaluar el calor retirado al agua QA= ma * Cp * t

Procedimientos 

Equipo utilizado

Enfriador de agua o water chiller, el cual consta de todas las partes típicas de un enfriador de agua; condensador, evaporador, compresor y una válvula de expansión, los datos de equipo utilizado en la empresa de PQA, tiene un caudal de la bomba de agua de 830 Lt/hr y el compresor tiene ½ HP. El refrigerante utilizado fue el Freón 12. Para la medición de la temperatura en los diferentes estados del ciclo se utilizo una termocupla de superficie. En la medición de las presiones se utilizo dos manómetros conectados al equipo. 

Descripción de la experiencia

En primer lugar se sabe que el ciclo de refrigeración empleado en la experiencia es uno de compresión de vapor. Una vez puesto en funcionamiento el enfriador, se procedió a tomar los datos de las temperaturas correspondientes con la ayuda de la termocupla de superficie, siendo T1 la entrada al compresor. Luego, con el mismo instrumento se registró la temperatura de T2 de la entrada al condensador, T3 de la entrada de la válvula de expansión y T4 en la entrada al evaporador, después se midió la temperatura de diseño t2 y finalmente con la termocupla de inmersión se midió t1 que corresponde a la temperatura de la red de agua potable. 

Instalación de la experiencia

A continuación se muestra claramente el esquema de instalación de la experiencia realizada. Datos Patm

Palta

Pbaja

T1

T2

T3

T4

t1

t2

719.8

99

11

15.3

44.5

29.4

-11.8

1

18.8

H1 = 1160 KJ / Kg = 277,24 Kcal / Kg H2 = 1170 KJ / Kg = 279, 63 Kcal / Kg

H3 = 1025 KJ / Kg = 244,97 Kcal / Kg H4 = 1025 KJ / Kg = 244,97 Kcal / Kg Nota: los datos de las entalpias se obtiene de en el gráfico de refrigerante r12 una vex realizado el ciclo de refrigeración. Las válvulas de expansión se consideran isoentalpica por lo tanto h3 = h4. Formulas 

Factor de conversión

1 atm = 760 mmHg 1 mmHg = 0.1333 Kpa 1 bar = 100 Kpa 1 Psi = 6,894757 Kpa 1 HP = 641.3Kcal/Hr 1 T.R = 3024 Kcal / Hr 1 J = 0.239 Kcal 

Calor disipado

QH = mr12 (h2 - h3) Kcal/Hr 

Capacidad de Refrigeración

QL = mr12 (h1 - h4) Kcal/ Hr o T.R. 

Trabajo de compresión

QC = mr12 (h2 - h1) Kcal/ Hr 

Calor retirado del agua

QA = ma * CP * 

Flujo masico de r12

mr12 = 1512 / (h2 - h1) Cálculos

t

Patm = 719.8 mmHg = 95,94934 Kpa = 0.9594934 bar = 13.92 Psi Palta = 95,94934 Kpa + 682.580943Kpa = 778053 Kpa = 7.78 bar " 8 bar Pbaja = 95,94934 Kpa + 75,842327Kpa = 171,792 Kpa = 1.71 bar " 2 bar mr12 = 1512 = 632.63 Kg/Hr 279.63 - 277.24 QC = 632 * (279.63 - 277.24) = 1511,98 Kcal/Hr QL = 632.63 * (277.24 - 244.97) = 20415,16 Kcal/Hr QH = 632.63 * (279.63 - 244.97) = 21927,16 Kcal/ Hr QA = 830Kg/Hr * 1 Kcal/Kg°C) * (18.1 - 1) = 14774 Kcal/Hr " se cumple que QH > QL

TIPOS DE CHILLER

RECOMENDACIONES PARA EL AHORRO DE ENERGIA Hacer un perfil de cargas térmicas, para seleccionar el equipo más eficiente. Utilizar un refrigerante ecológico y el más eficiente, es decir que absorba más calor por kg utilizar condensadores evaporativos, para que el compresor opere a las presiones de descarga más bajas que permita el lugar geográfico de ubicación. Utilizar purgadores de aire. Utilizar enfriadores con una capacidad adicional del 20%, para que el compresor opere más eficiente, es decir demande menos potencia. Utilizar variadores de velocidad o frecuencia en bombas de agua para el proceso, y en ventiladores de los condensadores. Utilizar un sistema de control adecuado. Capacitar al personal de operación

La aplicación del chiller en Productos Químicos Andinos (PQA) básicamente es: Se programa para que tenga en la salida, 2°C . - En extrusoras (husillos o tornillos sinfín): Boquilla entrada del material; La temperatura que manejan los

tornillos en promedio es de 50 a 90° C.

- Corona del molde: La temperatura máxima debe ser de 20° C. - Tableros eléctricos (Aire acondicionado). - Sistema I.B.C. de las maquinas (entrada y salida de aire) - Cajas reductoras de motores principales: Como refrigeración del aceite. - Por medio de una bomba que extrae el agua acumulada en un tanque de 250 litros temperatura ambiente, la hace circular a través de una tubería que llega a cada una de las máquinas (4), y pasa a un serpentín que la enfría, y por medio de un blower la envía a otra tubería como aire frío.

CONCLUCIONES 

Los datos calculados nos dicen que estamos en presencia de un enfriador de agua en muy buenas condiciones, concluyendo esto por la relación de QH > QL, y además por lo observado en la práctica al momento de observar el sistemas de aire acondicionado el cual salía bastante helado.

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No obstante cabe señalar una observación; en la teoría vista en clases se señaló que la temperatura operacional de un enfriador de agua está entre los 4 y 10 °C, y la temperatura de salida del enfriador nos registró un valor de 1°C, se puede decir que a lo mejor por esa razón el aire que salía era tan helado, y el posible desajuste del enfriador de agua.

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Teniendo en cuenta la observación anterior y lo aprendido en clases, sería correcto realizarle una buena mantención al enfriador de agua para tenerlo en buenas condiciones, para poder seguir operando sin ningún tipo de problemas. La mantención es aplicable en todos los usos que tienen los enfriadores de agua, para poder, lograr los más óptimos resultados de enfriamiento.

BIBLIOGRAFIA

ING. GABRIEL RANGEL N. [email protected] http://www.todochiller.com.ar/Teoria.html AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION (Jenings Lewis)