ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
Funcionamiento de un circuito frigorífico y sus componentes
A continuación vamos a resumir brevemente el funcionamiento de una máquina frigorífica. El método más importante de refrigeración y el más extendido está fundado en la ebullición de algún líquido hasta su estado gaseoso. En este proceso el calor es extraído del espacio a enfriar con el fin de proveer el calor latente de vaporización necesario para el cambio de estado líquido a gaseoso. Para que la transferencia de calor tenga lugar, es necesario que la temperatura de ebullición del líquido sea inferior a la temperatura del medio. Es posible variar la temperatura de ebullición de una sustancia variando la presión ejercida sobre ella. De esta forma podemos variar la temperatura a la cual se absorbe el calor. En la práctica, al fluido se introduce en un circuito frigorífico en el que se le somete a un ciclo que comprende: compresión, condensación, expansión y evaporación. Los componentes son los siguientes:
Los principales elementos que componen un circuito frigorífico son:
- Fluido refrigerante.
- Compresor.
- Condensador.
- Válvula de expansión.
- Evaporador.
- Elementos adicionales
Fluido refrigerante:
Es el elemento que va a evolucionar por el circuito frigorífico, sufriendo transformaciones de presión, temperatura, energía y cambios de estado de líquido a gas o viceversa. Después de ser vaporizado vuelve a utilizarse y no se agota.Compresor:
El compresor, que puede ser de distintos tipos, tiene como misión comprimir el refrigerante en fase gaseosa. Es accionado por un motor eléctrico, toma el gas a una determinada presión y temperatura, y lo suelta a mayor presión y al mismo tiempo a mayor temperatura y con mayor energía.Condensador:
Los condensadores reciben el vapor refrigerante recalentado procedente del compresor, eliminan el recalentamiento del vapor y , a continuación, lo licúan. Es el lugar donde se produce la eliminación del calor. Algunos fluidos, tales como aire o agua, son los encargados de llevarse el calor fuera del sistema; estos fluidos caracterizan al condensador, que por consiguiente, puede ser de enfriamiento por aire o por agua. El conjunto formado por el condensador y el compresor recibe el nombre de unidad de condensación.Dispositivo de expansión:
Después del compresor y del condensador, el elemento fundamental que sigue en el sistema de compresión de vapor es el dispositivo de expansión. Tiene un doble fin: reducir la presión del líquido refrigerante, y regular el paso de refrigerante al evaporador. El fluido refrigerante, al pasar por este elemento de expansión, pierde presión, pero sin quedar afectado en cuanto a su energía. El trabajo mecánico de la expansión se compensa con una evaporación parcial del líquido, cuya parte restante en estado líquido se enfría.Evaporador:
Al igual que el condensador, es un intercambiador de calor, que se encuentra entre la salida del sistema de expansión y la entrada al compresor, cerrando de esta forma el circuito. El líquido refrigerante a baja presión procedente del sistema de expansión, se evapora en este intercambiador. Como consecuencia de este cambio de estado de líquido a gas, el refrigerante debe absorber gran cantidad de energía. El evaporador es, por tanto, el elemento que extrae el calor del medio que queremos enfriar.Otros elementos:
Además de los elementos anteriores hay otros elementos en el circuito frigorífico, tales como las tuberías, elementos de protección, etc.Diagrama entálpico
Para la representación del ciclo frigorífico se acostumbran a utilizar los diagramas entálpicos:
Estos diagramas se establecen para una masa de fluido de 1 kg, lo que permite olvidar las variaciones del volumen específico en el transcurso del ciclo.
El eje de las abcisas nos da la entalpía (h), y el de las ordenadas la presión (p).
Podemos distinguir tres zonas, cada una de la cuales nos dará un estado del fluido frigorífico:
-A la izquierda del diagrama tenemos exclusivamente líquido.
-Por debajo de la curva tenemos una mezcla de líquido y vapor.
-A la derecha tenemos exclusivamente vapor.
Dentro de la zona líquido-vapor pueden unirse todos los puntos de la misma relación de vapor x, para formar el haz de curvas a relación constante. Este haz converge hacia el punto crítico, representado en la parte superior de la curva. Los haces de curvas x=0 y x=1 coinciden, respectivamente, con las partes izquierda y derecha de la curva.
En el diagrama anterior se puede observar la forma que tienen, en un diagrama entálpico, las curvas a relación constante, las isotermas, las adiabáticas (que además son isoentrópicas) y las isócoras (de volumen constante).
Representación del ciclo.
Sea cual sea el ciclo funcional descrito por el fluido y el régimen de funcionamiento de la máquina frigorífica, el estudio sobre el diagrama entálpico de cada transformación elemental experimentada por el fluido, nos permitirá determinar el balance energético de cada aparato principal de la instalación.Tomaremos el ciclo de funcionamiento de una máquina de compresión de un solo escalón, y para representar su funcionamiento sobre el diagrama entálpico admitiremos las tres hipótesis siguientes.
-La compresión es perfecta y adiabática.
-Los intercambios de calor entre el fluido y el ambiente son nulos en las tuberías.
-Los rozamientos inherentes a la circulación del fluido no engendran ninguna pérdida de carga.
Balance de la expansión
El fluido líquido llega al elemento expansionador bajo el estado 4 (temperatura t4 y presión pk). Entonces se produce la expansión por laminado a través de un orificio calibrado. Esta expansión es isoentálpica, es decir, es nula la variación de la entalpía, así como también el balance energético representado por esta variación; tenemos pues:h5 = h4
Esta expansión va acompañada de una evaporación parcial.
Balance del evaporador
El fluido inyectado al evaporador en el estado 5 es una mezcla de líquido-vapor de relación x5 , y está caracterizado por su presión po y su temperatura to; se evapora desde 5 a 1, merced a la aportación calorífica que proviene del medio exterior, que queda absorbida por la parte del líquido restante en el estado 5 por liberación de su calor latente de evaporación. Su entalpía crece constantemente en el transcurso de esta transformación.La cantidad de kilocalorías absorbidas en el curso de esta evaporación representará, pues, el frío producido, o sea:
qo = h1- h5
Habiéndose establecido el diagrama para una masa de 1 kilogramo de fluido, esta variación de la entalpía (h1- h5) nos indicará el frío producido por kilogramo de fluido circulando en la instalación.
Balance del compresor
Al entrar en el compresor, en el estado 1,el fluido recibe del medio exterior cierta cantidad de energía mecánica que, junto con la elevación de la presión y de la temperatura, aumenta su entalpía; el estado final de la transformación es el punto 2 representativo del estado del fluido al término de la compresión.Vemos que la energía mecánica aportada al fluido para su compresión ha sido absorbida por el fluido y el equivalente calorífico teórico de este trabajo tiene un valor por kilogramo de fluido de:
h2-h1
Su valor real será:
W=(h2-h1) x 1/η indicado x 1/ηmecánico
donde η indicado es el rendimiento indicado y ηmecánico es el rendimiento mecánico. El rendimiento indicado es el que tiene un compresor en relación con una compresión adiabática.
Balance del condensador
Al salir del compresor bajo el estado 2, el fluido es admitido por el condensador donde se enfría gracias a otro fluido exterior, condensándose para ser evacuado bajo forma líquida hacia el estado 4, con objeto de participar en un nuevo ciclo.El fluido exterior que ha posibilitado esta transformación ha transportado al fluido frigorígeno la cantidad de calor absorbida en el evaporador junto con el correspondiente al equivalente del trabajo de compresión. La variación de entalpía es:
q = h2 - h4
Además se cumple que:
q = qo+ W
Coeficiente rendimiento frigorífico
Se define como la relación entre el frío producido qo y el equivalente calorífico del trabajo de compresión.Sobrecalentamiento del vapor
El vapor, por lo general, llega a la entrada del compresor recalentado, es decir, continúa absorbiendo calor desde su estado de vapor saturado seco para pasar a un estado sobrecalentado (tramo 1'-1). Si despreciamos la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de aspiración, podrá suponerse que la presión del vapor permanece constante durante el sobrecalentamiento.En un ciclo con vapor sobrecalentado se cumple que:
-El calor de compresión por Kg de refrigerante es ligeramente mayor .
-La temperatura del vapor descargado a la salida del compresor es mayor. Por tanto, la cantidad de calor por Kg de refrigerante eliminado en el condensador es mayor.
-El volumen específico del vapor sobrecalentado, suponiendo que la presión permanece constante durante el sobrecalentamiento, siempre es mayor. En este caso el caudal volumétrico en m3/h que el compresor debe manejar por capacidad unitaria refrigerante es mayor.
-La potencia requerida, por unidad de capacidad refrigerante del ciclo, es mayor para el ciclo sobrecalentado y menor el coeficiente de rendimiento (o eficiencia).
-Debido a lo anterior, el compresor, el motor del compresor y el condensador deberán ser mayores que para el ciclo saturado.
La razón de que se recaliente el vapor, a pesar de estos inconvenientes, es eliminar la posibilidad de que parte del fluido pase en estado líquido al compresor, lo que podría causar efectos negativos en la capacidad del compresor, y causarle daños mecánicos.
El sobrecalentamiento puede ocurrir en los siguientes puntos:
Cuando tiene lugar fuera del espacio refrigerado, puede evitarse en parte este recalentamiento aislando la tubería de aspiración. Este aislamiento también es necesario para prevenir la formación de escarcha en la superficie de la tubería. El aislamiento de la tubería, debido a esto, se deberá dimensionar de forma que, en la superficie exterior del aislamiento, la temperatura sea superior a la de rocío del aire de los alrededores.
Si el calor necesario para sobrecalentar el vapor es tomado del espacio refrigerado se aumenta el efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante en una cantidad igual a la cantidad de calor absorbido en el sobrecalentamiento (h1-h1'). Sin embargo el sobrecalentamiento no es económico más allá de lo necesario para lograr un funcionamiento adecuado.
Normalmente el vapor podrá ser sobrecalentado hasta 4-5ºC por debajo de la temperatura del local refrigerado.
Subenfriamiento de líquido
Si el líquido refrigerante se subenfría antes de que llegue a la válvula de expansión (tramo 3-4), se incrementa el efecto frigorífico específico en una cantidad igual a h3-h4, según se observa en la representación del ciclo. Debido al aumento del efecto frigorífico específico ocurre lo siguiente:El subenfriamiento puede tener lugar en varias partes y de diferentes maneras: en el recipiente de líquido, mientras circula por la tubería, mediante un subenfriador especial o mediante un cambiador de calor entre el líquido y el vapor frío del tramo de aspiración, recalentándose, de esta forma, los vapores de aspiración. Este último método no puede teóricamente justificarse sobre la base de un aumento de la capacidad y eficiencia del sistema. Sin embargo, debido a que el sobrecalentamiento es necesario, de esta forma se aprovecha el calor obtenido del subenfriamiento para conseguir el sobrecalentamiento.
Caídas de presión
Si queremos aproximarnos más a un ciclo real tenemos que tener en cuenta las pérdidas de carga durante la circulación del refrigerante por las tuberías, evaporador, condensador, recipiente de líquido y a través de válvulas y demás accidentes del cricuito frigorífico. Como resultado de la caída de presión en el evaporador, el vapor sale de él a una presión y temperatura de saturación menor y con un volumen específico más grande que el que se tendría al no haber ninguna pérdida de carga. Por esto, el caudal volumétrico movido por el compresor aumenta y la potencia requerida por capacidad frigorífica es también mayor, ya que el vapor debe ser comprimido salvando un incremento mayor de presión.La caída de presión en un evaporador bien diseñado es de 0,14 a 0,21 Kg/cm2. Idealmente, la tubería del tramo de aspiración debe ser diseñada de manera que la caída de presión no cause una disminución mayor de 1 ºC en la temperatura de saturación. Además, el vapor es comprimido en el cilindro del compresor hasta una presión considerablemente mayor que la presión de condensación. Esto es necesario para forzar la salida del vapor a través de las válvulas de descarga contra la presión de condensación y contra la presión ocasionada por la acción de los resortes en las válvulas de descarga. En la siguiente figura se tiene una representación de las caídas de presión en el ciclo:
