1MAQUINAS FRIGORFICAS DE FLUIDOS CONDENSABLES CON CICLOS CON

EXPANSIN ISOENTLPICA

COMPRESIN EN RGIMEN HMEDO.-

Trabajo Perdido = - (vdP)S=cte

P

v

BC

AMD

2COEFICIENTES DE EFECTO FRIGORFICOa) Coeficiente de efecto frigorfico terico del ciclo COPterb) Coeficiente de efecto frigorfico del ciclo de Carnot correspondiente COPCc) Coeficiente de efecto frigorfico real COPEl coeficiente de efecto frigorfico terico del ciclo es:CEF=COPterico = qvwt

en la que qv es la potencia frigorfica o cantidad de calor extrada del foco fro (vaporizador) y wt es el trabajo aplicado al fluido (por el compresor) en condiciones ideales

El coeficiente de efecto frigorfico del ciclo de CarnotCOPC correspondiente a las temperaturas de los focos fro Tv (vaporizador) y caliente Tc (condensador) es:

CEF Carnot = COPCarn = 1 Tv/Tc El coeficiente de efecto frigorfico real es: CEF Real = COPReal = qvwr .- La expansin isoentrpica (CD) no es realizable

fcilmente por lo tanto,a partir del estado C del diagrama se efecta la expansin de forma irreversible (isoentlpica), sustituyendo el expansor por una vlvula de estrangulamiento, por la que el fluido circula a entalpa constante, Fig XIV.5; sto est motivado por una serie de dificultades tcnicas y prcticas

debido a que:

3 a) El posible trabajo que se puede obtener en el expansor sera una pequea fraccin del que debera suministrar el compresor, por cuanto el volumen especfico del fluido(lquido) que se expande de C a D es ms pequeo que el del fluido (vapor) que se comprime de A a B; el expansor debera trabajar con un fluido condensable de ttulo muy pequeo, prcticamente cero, (lquido).

b) Hay dificultades en la lubricacin cuando existeun fluido de dos fases, por cuanto la parte lquida puede llegar a la solidificacin.

c) La potencia recuperada en el expansor raras vecesjustifica el coste del mismo.

d)comparando con el ciclo de carnot equivalente sepresenta :d.1).- una disminucin del efectofrigorfico(disminucin de la produccin de fro pokg de refrigerante ) dado por la superficie : (dDMmd= iM iD y d.2).-un aumento del trabajo neto decompresin ya que se eliminado el trabajo que segeneraba en el expansor .r.

El calor cedido al foco caliente es: q 1 = iB iC El calor extraido de la fuente fra es: q2 = iA iM =

rea ( MAamM) El trabajo aplicado es: wC = -( iB iA )

4 El efecto frigorfico es: COP= (iA iM ) ( iB iA )

Las prdidas relativas debidas al reemplazo del expansor isoentrpico por la vlvula de estrangulamiento, dependen de la naturaleza del fluido frigorfico y, en particular, de su calor especfico en estado lquido y de su calor latente de vaporizacin, prdidas que son proporcionales a (cp/r) y que

en general, son pequeas.

COMPRESIN EN RGIMEN SECO.-

En este tipo de ciclos frigorficos, se aade a lasalida del evaporador un aparato separador delquido, de forma que el compresor slo pueda aspirar vapor saturado seco en lugar de vapor hmedo, como suceda en el caso anterior

5Las transformaciones del ciclo son las siguientes:1-2') Compresin real: wc = -(i2' - i1)2'-C) Enfriamiento (2'B) y condensacin (BC): q1 = i2' - iCC-M) Estrangulacin: iC = iMM-1) Vaporizacin: q2 = i1 - iMA-1) Separador de lquidoEl coeficiente de efecto frigorfico esCOP = (i1 iM)/ (i2' - i1)

Una razn para realizar la compresin en rgimen seco, Fig XIV.6, consiste en que la parte lquida del vapor hmedo frigorgeno pudiera quedar detenida en la culata del

6 compresor, o tener un volumen mayor que elvolumen muerto del compresor (golpe de lquido), con la posibilidad de averiar las vlvulas o la propia culata; otro peligro es que el lquido llegue aarrastrar el aceite de lubricacin de las paredes delcilindro, acelerando as su desgaste

. Esto requiere un trabajo adicional en el compresor, por cuanto a la salida del mismo, estado 2', el fluido est recalentado. Adems, la presencia de la fase lquida a la entrada podra provocar efectos corrosivos en el compresor.

Por otro lado, se puede someter al lquido condensado a un subenfriamiento (CC'), Fig XIV.7, mediante un intercambiador de calor, antes de proceder a su expansinen la vlvula de estrangulamiento.

Este proceso aumenta el efecto frigorfico, llevndose la compresin hacia la regin de vaporrecalentado, 1 1', donde el trabajo de compresin es mayor.

El estado 1' tiene un volumen especfico mayor que el 1, porlo que el compresor debe proporcionar un caudal volumtrico mayor. No obstante, el intercambiador queda justificado cuando haya que garantizar que no entre lquidoal compresor, 11'; tambin hay que asegurar que en la vlvula de estrangulamiento entre slo lquido, para un correcto funcionamiento de la misma.

7 SISTEMAS DE MULTICOMPRESION CON REFRIGERACIN INTERMEDIA

En el ciclo de compresin simple, la compresin y la expansin se producen en un solo salto, (mquinas domsticas y un gran nmero de equipos de carcterindustrial de tamao mediano a pequeos ) en estas mquinas las presiones y temperaturas (de condensacin y evaporacin) no difieren excesivamente.

Cuando la diferencia de presiones entre la aspiraciny escape (salida) del compresor es muy grande, o lo que es lo mismo, la diferencia entre la temperaturadel cambio de estado en el condensador y la reinanteen el evaporador, es alta se producen los siguientes fenmenos:

a) Un aumento importante en la temperatura de escape del compresor puede originar la posible descomposicin del aceite lubricante con el consiguiente acortamiento de la vida media de la mquina( se limita la relacin de compresin del compresor hasta un mximo de 10 ).

b) Un aumento de la relacin de compresin implica que el rendimiento volumtrico propio del compresor simple disminuye, lo que da origen a una disminucin de la capacidad frigorfica al bombear menor cantidad de fluido frigorgeno.

c) A medida que nos adentramos en la zona de vapor

8 a) Un aumento importante en la temperatura de escape del compresor puede originar la posible descomposicin del aceite lubricante con el consiguiente acortamiento de la vida media de la mquina( se limita la relacin de compresin del compresor hasta un mximo de 10 ).

b) Un aumento de la relacin de compresin implica que el rendimiento volumtrico propio del compresor simple disminuye, lo que da origen a una disminucin de la capacidad frigorfica al bombear menor cantidad de fluido frigorgeno.

c) A medida que nos adentramos en la zona de vapor recalentado se produce una inclinacin cada vez mayor de las lneas de entropa constante

, hecho que se origina al aumentar la relacin de compresin, lo que implica un incremento de la potencia requerida por el compresor.

d.-el trabajo isotrmico de compresin es el menor que el adiabtio o politrpico y como es de difcil realizacin se procede a intercalar mas de una etapa de compresin con enfriamiento intermedio lo cual reduce el trabajo consumido por el compresor

Por todo sto, a partir de ciertos lmites puede resultar ms econmico utilizar un ciclo de compresin mltiple, distinguiendo dos grandes tipos de instalaciones, La compresin mltiple directa y la compresin mltiple indirecta o en cascada

9COMPRESIN MLTIPLE DIRECTA.- En estas instalaciones, el fluido frigorgeno se comprime dos o ms veces, sucesivamente, existiendo un enfriamientodel vapor recalentado despus de cada compresin.Lo ms normal es la compresin doble directa; sistemas de compresin de ms etapas son posibles, si bien menos frecuentes en la industria.En la Fig XIV.8 se ha representado en un diagrama(p,i) un ciclo simple definido por el contorno (1-2-3-4-1) (con subenfriamiento); si superponemos un ciclo de compresin doble, que trabaja entre las mismas presiones que el anterior, la primera compresin serealiza entre la presin del evaporador y una presin intermedia (1-A) y la segunda compresin

entre esta presin intermedia y la del condensador (B-2'), realizando entre ambas compresiones larefrigeracin intermedia del vapor recalentado delfluido

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2 T 2 CA A 3 CB B Trab.Ahorrado 4 5

Pi =Pa.Pb S

FORMAS DE OBTENER EL ENFRIAMIENTO INTERMEDIO EN EL COMPRESOR

a) Refrigeracin intermedia exterior.-

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b) Inyeccin parcial de fluido frigorgeno.-

c) Inyeccin directa de fluido frigorgeno.-

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d) Sistema de doble compresin y expansin conenfriador intermedio y separador de lquido.-

d-1) Enfriador intermedio de tipo cerrado coninyeccin parcial, (intercambiador de superficie).-

d-2) Enfriador intermedio de tipo abierto coninyeccin total, (intercambiador de mezcla).

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Este sistema tiene el inconveniente, con respecto al de intercambiador cerrado, de utilizar vlvulas deexpansin por las que circula un gran caudal defluido frigorgeno y tener bajos saltos de presin. Enlos ciclos con enfriador intermedio de tipo cerrado,por la vlvula auxiliar V1 circula un pequeocaudal, mientras que por la vlvula principal V2pasa la mayor parte de la masa, funcionando entre las presiones de condensacin y evaporacin, por loque su regulacin es ms sencilla.

La masa mc de fluido que circula por elcondensador se calcula haciendo un balance deenerga en el volumen de control, (en el supuesto deque no existen prdidas trmicas en elintercambiadorseparador), obtenindose:

La potencia frigorfica (calor extrado en elevaporador) q2, es:

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por lo que la masa mc de fluido que circula por elcondensador queda en la forma:

Mquina Frigorfica con dos etapas de compresin intermedia ,enfriamiento intermedio tipo flash intercooler y dos evaporadores .

Distribucin de dispositivos

Flash Interc.

Evap.I

Evap.II

CONDENS.

CA

CB

Vlam.

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T

S

1

2

2

3

45

6

78

9

10

11

1213

16