COMPRESIÓN SIMPLE

PARÁMETROSFUNDAMENTALES

E. TORRELLA 1

INTRODUCCION

Hasta ahora hemos limitado el análisis, de lascaracterísticas principales de una instalación decompresión simple, al ciclo definido para unas condicionesdeterminadas. A continuación se va a pasar revista a lainfluencia que se manifiesta a través de la variación enesas condiciones

2E. TORRELLA

LAS MAQUINAS DE COMPRESION

SIMPLE II

INCIDENCIA

PARAMETROS

3E. TORRELLA

GRADO SUBENF.

GRADO RECALENT.

P/T CONDENS.

P/T EVAPOR.

INTERC. SUB/REC

PÉRDIDAS CARGA

INCIDENCIA PARAMETROS

PARÁMETROS CONSIDERADOS

Parámetros a considerar

Presiones (Temp.) de condensación ó evaporación.Grado de subenfriamiento.Grado de recalentamiento.Intercambiador intermedio.Pérdidas de carga

4E. TORRELLA

Magnitudes fundamentalesCompresor determinado (Vg = cte)

Caudal másico.

m =Vg .Rvv1

5E. TORRELLA

Potencias.

v1Qo =m . qo =Vg .

Rv . qo

R wP =m . w =Vg . v

v1. s

RiRm

Variación respecto a un parámetro genérico.

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

vzv

- qzq

+ RzR

Q =

=z v

v qR - z v

q R + z vR q

V =]q.vR[

z.V =

zQ

1

1

o

o

v

v

o

21

1ov

1

ov

1

vogo

1

vg

o

δδ

δδ

δδ

δδ

δδ

δδ

δδ

δδ

6E. TORRELLA

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

RzR

- vzv

- wzw

+ RzR

P = zP

i

i

1

1

s

s

v

v

δδ

δδ

δδ

δδ

δδ

Se ha supuesto invarianza en el valor del rendimiento mecánico

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎯→⎯ PzP

- Q

zQ

. COP = zP .

P

Q -

zQ

. P1 =

z(COP)

PQ

= COPo

o

2ooo δ

δδδ

δδ

δδ

δδ

Temperaturas de funcionamiento Condensación y evaporación

E. TORRELLA 7

Temperaturas de funcionamientoAnálisis teórico. Ciclo de “Carnot”.

Variación respecto a las temperaturas.

T - TT = COP

oK

oCARNOT

TCOPCARNOTδ TCOPδ

8E. TORRELLA

Mayor importancia de la variación en temperatura (opresión de evaporación).

)T - T(T=

TCOP

oK2

o

K

CARNOT

δδ

)T - T(T =

TCOP

oK2

K

o

CARNOT

δδ

TCOP <

TCOP

0

CARNOT

k

CARNOT

δδ

δδ

Temperatura de condensaciónCiclos

p

p

K

T

aa'

a"

3

3'

2s

2s'

T'

T"

p'

K

p"

K

K

K

9E. TORRELLA

h

po

T

T

TT

44'4"

3"

5

2s"

1

p"

K

K

o

2

2'

2"

Temperatura de condensación

Pueden considerarse invariantes:volumen específico en aspiración.

Se produce variación en:tasa de compresión.rendimientos volumétrico e interno.producción frigorífica específica

10E. TORRELLA

producción frigorífica específica.salto entálpico según isoentrópica.

Temperatura o presión de condensación

Relación de producciones frigoríficas

Relación de trabajos específicos isoentrópicos

1 > q

T c + 1 = q

)h - h( + 1 = q

)h - h( + q =

qq

o

KpL

o

44

o

44o

o

o Δ′′′

11E. TORRELLA

Relación de rendimientos

)h<h( ; 1 < h - hh - h =

ww

2ss22s

s2

s

s′

′′

1

1

)p < p( ; 1 > RR

KKv

v ′′

)p < p( ; 1 > RR

KKi

i ′′

Temperatura o presión de condensación

Potencia frrigorífica

Potencia consumida

0 > RR -

qq

= QQ

v

v

o

o

o

o ΔΔΔ

12E. TORRELLA

COP

0 < RR -

RR +

ww =

PP

i

i

v

v

s

s ΔΔΔΔ

0 > COPCOPΔ

Variación de Potencia frigorífica

11.0

13.0

15.0

W)

R134a To= 2.35 R134a To=7R134a To=-11 R22 To=-13R22 To=-9.6 R22 To= -3.5R407C To=-2 R407C To=-7R407C To=-14

13E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

3.0

5.0

7.0

9.0

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

TK (ºC)

Q0

(kW

Variación de Pc

5.0

5.5

6.0

6.5

W)

R134a To= 2.35 R134a To=7R134a To=-11 R22 To=-13R22 To=-9.6 R22 To= -3.5R407C To=-2 R407C To=-7R407C To=-14

14E. TORRELLA

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

TK (ºC)

Pc

(kW

R-22 ; R134a ; R407C

Temp. o presión de condensación. Conclusiones

Se deduce un aumento de la eficiencia energética del ciclo alproducirse un descenso en la temperatura de condensación, conclusiónque podría haberse extraído de la eficiencia de Carnot, ya quedisminuye la diferencia de temperaturas de las fuentes, manteniendofija la de menor nivel térmico.La reducción de la presión de condensación en una instalaciónfrigorífica se origina por un descenso en la temperatura del agente

15E. TORRELLA

g g p p gexterno de enfriamiento, que provoca la condensación de los vaporesprocedentes del compresor. Este agente externo puede ser aire, aguao ambos simultáneamente (torres de enfriamiento, condensadoresevaporativos). En la actualidad se está viviendo un desarrolloimportante de la condensación por aire ambiente (a pesar de su mayortemperatura) frente al uso del agua, penalizado este último por sumayor coste, disponibilidad y mayor mantenimiento.

Temp. o presión de condensación. Comentario

La utilización del aire como agente externo decondensación acarrea algunos problemas derivados de altavariación de temperaturas que experimenta a lo largo delaño. Quiere esto decir que si el condensador ha sidoescogido para conseguir su objetivo en el momento demayor nivel térmico del aire, cuando su temperaturadescienda también lo hará la presión de condensación y

16E. TORRELLA

descienda, también lo hará la presión de condensación, yeste efecto que como hemos visto resulta en principiobenéfico sobre el COP puede tener aparejadosinconvenientes tales como:

Presencia de vapor a la entrada del expansor.Funcionamiento inestable de la válvula de expansión.Menor capacidad en sistemas con desescarche por gas caliente.

Temperatura de evaporaciónCiclos

p

p2s 2s' 2s"3

x x

K

4 4'

17E. TORRELLA

h

p

p"

p'

1

1'

1"

4

4'

4"

v

v

v

5

5'

5"

o

o

o

4 4

1

1'

1"

x4"

Temperatura de evaporación.

Pueden considerarse invariantes:entalpía específica de entrada a evaporador.

Se produce variación en:tasa de compresión.rendimientos volumétrico e interno.volumen específico en aspiración

18E. TORRELLA

volumen específico en aspiración.salto entálpico según isoentrópica.producción frigorífica específica.

Temperatura o presión de evaporación.

Incidencia sobre el trabajo específico de compresión

Incidencia sobre rendimientos

0 < )h - h( -h - h( = w - w 2ss2ss 1'1 )′′

0>RR′ 0>RR′

19E. TORRELLA

Variación en volumen específico

Influencia sobre la producción frigorífica específica

0 > R - R vv 0 > R - R ii

0< v - v 1'1

h - h = )h - h( - )h - h( = q - q 33oo 1'11'1′

Temp. o presión de evaporaciónExpresionesTemp. o presión de evaporaciónExpresiones

Potencia frigorífica

Potencia consumida

0 > vv -

RR +

qq

= QQ

v

v

o

o

o

o

1

1ΔΔΔΔ

20E. TORRELLA

COP

0 vv -

ww

RR -

vv -

RR +

ww =

PP

s

s

i

i

v

v

s

s ≈ΔΔ

≈ΔΔΔΔΔ

1

1

1

1

0 > ww -

RR +

qq

= COPCOP

s

s

i

i

o

o ΔΔΔΔ

Variación de Potencia frigorífica

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

W)

R22 Tk=40ºCR22 Tk=47ºCR22 Tk=50ºCR134a Tk=48R134a Tk=55R134a Tk=45R407C Tk(L)=40

21E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

-20 -15 -10 -5 0 5 10

T0 (ºC)

Q0

(kW R407C Tk(L)=45

R407C Tk(L)=50

Variación de Pc

5 0

5.5

6.0

6.5

7.0

W)

R22 Tk=40ºCR22 Tk=47ºCR22 Tk=50ºCR134a Tk=48R134a Tk=55R134a Tk=45R407C Tk(L)=40R407C Tk(L)=45R407C Tk(L)=50

22E. TORRELLA

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

-20 -15 -10 -5 0 5 10

T0 (ºC)

Pc

(kW ( )

R-22 ; R134a ; R407C

Temp. o presión de evaporaciónConclusiones

Se deduce un aumento de la eficiencia energética del cicloal producirse un aumento en la temperatura deevaporación, conclusión que podría haberse extraído de laeficiencia de Carnot, ya que disminuye la diferencia detemperaturas de las fuentes, manteniendo fija la de mayornivel térmico.

23E. TORRELLA

No obstante este nivel térmico está sujeto a la limitaciónimpuesta por la temperatura a conseguir en una aplicacióndeterminada.Como conclusión debe remarcarse que una instalaciónproducirá mas potencia frigorífica, y con mayor eficiencia,cuanto mayor sea la temperatura de evaporación.

Curvas catálogo CompresorQ0 (ó PC) = F(T0;TK)

24E. TORRELLA

Grado de subenfriamiento

E. TORRELLA 25

Grado de subenfriamientoCesión a un agente externo

p

T2s

3p

K

K3'3"

26E. TORRELLA

h

T

14

v

5opo

1

4'4"

Grado de subenfriamientoCondensador de agua

27E. TORRELLA

Grado de subenfriamientoFunción tasa de compresión

8

10

12

o (º

C)

R134a R22

28E. TORRELLA

0

2

4

6

3 4 5 6 7 8Tasa de compresión

Sube

nfri

amie

nto

R407C

Grado de subenfriamientoCondensador - botella acumuladora

En caso de existencia de botellaacumuladora, al coexistir en ellaambas fases, se pierde elposible subenfriamientoconseguido en condensador.

29E. TORRELLA

Grado de subenfriamiento. Consecuencias

Pueden considerarse invariantes:tasa de compresión.rendimientos volumétrico e interno.volumen específico en aspiración.salto entálpico según isoentrópica.

Se produce variación en:

30E. TORRELLA

Se produce variación en:Entalpía específica entrada válvula.

Grado de subenfriamiento

qh - h =

qq

= COPCOP

o

33

o

o ′ΔΔ

0 > GS )c( = )T - T( )c( h - h pL p33pL p33kk

′′ ≈

31E. TORRELLA

COP > COP 0 > COP 0 > COPCOP

′→Δ→Δ

absorbida) pot. la de a(constanci 0 = PP

a)frigorífic pot. la de (aumento 0 > QQ

o

o

Δ

Δ

Grado de subenfriamientoConclusión

Deduciéndose que un aumento en el subenfriamiento dellíquido trae como consecuencia un incremento de laeficiencia con que trabaja la instalación, y esto será tantomás importante cuanto mayor sea el grado desubenfriamiento y menor la producción frigoríficaespecífica, en general cuando menor sea la temperatura de

32E. TORRELLA

p , g pevaporación (para una presión de condensaciónconstante).

Grado de subenfriamientoComentario

Alguna matización debe realizarse sobre las conclusionesanteriores, ya que si puede obtenerse un elevado grado desubenfriamiento, esto implica que la temperatura deentrada del medio de enfriamiento es baja, inferiorlógicamente a la de salida de condensador. Ahora bien, enlugar de conseguir un gran subenfriamiento podría

33E. TORRELLA

g g g ptrabajarse con una menor presión de condensación, con loque se obtendría como efecto benéfico una menornecesidad de potencia en compresor.

Grado de recalentamiento Tipos útil y menos útil

E. TORRELLA 34

Grado de recalentamiento

p

pT 2s 2s' 2s"3

K

K

35E. TORRELLA

h

pT

1 1' 1”4

v1"5o

o

v1'

v1

Grado de recalentamientoTipos

En el análisis del efecto producido por la presencia de unrecalentamiento del vapor, respecto a saturación, en laadmisión del compresor, se han distinguido dos casos:

Recalentamiento útil; producido en el interior del recinto bajotratamiento, y por tanto debido a transferencia de calor desde elmedio a enfriar. El valor de este grado de recalentamiento se

t li it d l t t t d t

36E. TORRELLA

encuentra limitado por la temperatura que se pretende manteneren dicho recinto.Recalentamiento "menos útil"; en este caso la causa que lo

produce es una entrada de calor que no procede del medio aenfriar, sino de otras fuentes, siendo el resultado del enfriamientode devanados de motores eléctricos, pasillos de manutención,etc..., cuyo efecto puede ser conveniente, de ahí el término de"menos útil" y no de inútil.

Grado de recalentamiento menos útil En devanado del motor eléctrico

37E. TORRELLA

Grado de recalentamientoConsecuencias

Pueden considerarse invariantes:tasa de compresión.rendimientos volumétrico e interno.

Se produce variación en:volumen específico en aspiración

38E. TORRELLA

volumen específico en aspiración.salto entálpico según isoentrópica.

Grado de recalentamientoVariación en volumen específico

Comportamiento como “gas perfecto” (Supestos dos cicloscon diferente recalentamiento).

0 > GR p PM

R = )T - T(p PM

R = v - voo

1'11'1

39E. TORRELLA

0 > 1 - TT =

TGR =

vv

1

'1

11

1Δ

Grado de recalentamiento.Salto entálpico en compresor ideal.

Comportamiento como “gas perfecto” y compresiónisoentrópica .

1]t[TR=1]t[vp=

=v p - v p + vdv v p- = w

1 - 1 -

22

2

s

γγ

γ

γγ

111

11 ∫p

p2

40E. TORRELLA

1] - t[ T PMR

1 - = w

1]-t[TPM

1 - =1] - t[ vp

1-=

1 - s γ

γ

γγ

γγ

γγ

'1

111

′

p

p

v

vv

1

1

2

2 1 0 > 1 - TT =

TGR =

ww

TT

ww

s

s

s

s

1

'1

11

1 Δ→≈

′′

Grado de recalentamiento tipo “útil”Acción sobre potencia frigorífica.

Aumento de la producción frigorífica específica.

GR )c( + q = )h - h( + q = q ppvooo o1'1

′

0 > q

GR )c( =

qq

o

pv p

o

o oΔ

41E. TORRELLA

Sobre la potencia frigorífica

0 > vv1

1Δ

vv -

q

GR )c( =

QQ

o

pv po

o

o

1

1ΔΔ1 -

qq

= q

q - q =

qq

= QQ

v

v

v

vv

v

v

o

o′′ΔΔ

Grado de recalentamiento.Variación de la producción volumétrica

1.00

1.02

1.04

qv/qvsR-502

R-12

R-11

42E. TORRELLA

0 10 20 30 40

RECALENTAMIENTO [°C]

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

R-22

R-717

TK = 30°C ; To = 0°C

Grado de recalentamiento tipo “útil”Acción sobre potencia consumida

La incidencia sobre la potencia consumida es:

vv -

ww =

PP

s

s

1

1ΔΔΔ

GRΔΔ

43E. TORRELLA

TGR =

vv =

wws

s

11

1ΔΔ

0 = PPΔ

Variación de Potencia frigorífica

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

W)

R22 t=5.3 R22 t=6.4 R22 t=4

R134a t=4.5 R134a t=5.4 R134a t=6

R407C t=6.8 R407C t=5.7 R407C t=5

44E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

1.0 3.0 5.0 7.0 9.0 11.0 13.0 15.0 17.0

R.U. (ºC)

Q0

(kW

Variación de Pc

5.0

5.5

6.0

W)

45E. TORRELLA

3.0

3.5

4.0

4.5

1.0 3.0 5.0 7.0 9.0 11.0 13.0 15.0 17.0

R.U. (ºC)

Pc

(kW

R22 t=5.3 R22 t=6.4 R22 t=4

R134a t=4.5 R134a t=5.4 R134a t=6

R407C t=6.8 R407C t=5.7 R407C t=5

R-22 ; R134a ; R407C

Grado de recalentamiento tipo menos “útil”Incidencia

Sin aumento de la producción frigorífica específica.

0 < 1 + vv - =

vv - v - =

vv - =

vv -

qq

= QQ

1

1

1

11

1

1

1

1

o

o

o

o ′′ΔΔΔΔ

PΔ

46E. TORRELLA

0 PP≈

Δ

0 < QQ

COPCOP

0

0Δ≈

Δ

Variación de Potencia frigorífica

11.0

13.0

15.0

W)

R134a t=3.9 R134a t=4.8 R134a t=5.9

R22 t=5.9 R22 t=4.8 R22 t=3.8

R407C t=4 R407C t=8 R407C t=5

47E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

3.0

5.0

7.0

9.0

0 2 4 6 8 10 12 14R.M.U. Total (ºC)

Q0

(kW

Variación de Pc

5 0

5.5

6.0

6.5

W)

R134a t=3.9 R134a t=4.8 R134a t=5.9

R22 t=5.9 R22 t=4.8 R22 t=3.8

R407C t=4 R407C t=8 R407C t=5

48E. TORRELLA

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 2 4 6 8 10 12 14

R.M.U. Total (ºC)

Pc

(kW

R-22 ; R134a ; R407C

Grado de recalentamientoConclusiones

Podemos concluir las siguientes conclusiones sobre laincidencia del recalentamiento sobre el COP de lainstalación:

Caso útil:Benéfico (casos del R-12, R-502).Negativo (casos R-22, R-717).

49E. TORRELLA

g ( , )Caso “menos útil”; negativo con todos los fluidos.

Grado de recalentamientoComentario

Una nueva consideración debe ser tenida en cuenta en losrazonamientos empleados, en los que se ha consideradoque tanto el rendimiento indicado como el volumétrico sólodependen de la tasa de compresión, por lo que toman elmismo valor para ambos ciclos. Sin embargo, tal como hancomprobado diversos autores, el rendimiento volumétrico

50E. TORRELLA

p ,tiende a aumentar con el grado de recalentamiento, por loque se deben esperar ciertas modificaciones a lasconclusiones finales aportadas.

Sub-RecCombinados Intercambiador intermedio

E. TORRELLA 51

Intercambiador intermedioCiclos

p

2s2s'3 3'p

K

v

52E. TORRELLA

h

5 = 1'

14 4'

po

v1'

v1

Intercambiador intermedio

53E. TORRELLA

Intercambiador intermedio Consecuencias

Pueden considerarse invariantes:tasa de compresión.rendimientos volumétrico e interno.

Se produce variación en:volumen específico en aspiración.salto entálpico según isoentrópica

54E. TORRELLA

salto entálpico según isoentrópica.producción frigorífica específica.

Intercambiador intermedio Relaciones

Incidencia sobre el trabajo específico de compresiónprácticamente despreciable.Variación en volumen específico y sobre la producciónfrigorífica específica

v < v 1'1

55E. TORRELLA

Se ha notado con (‘) la instalación sin intercambiador

)h - h( > )h - h( 44 ′'11

Intercambiador intermedio Conclusiones

Potencia frigorífica

Potencia consumida

h - hh - h .

vv =

QQ

4

4

o

o

′′

'1

1

1

'1

56E. TORRELLA

Efectos contrapuestos en general sin incidencia global

h - hh - h .

vv =

PP

s2

2s

'1

1

1

'1

′′

Intercambiador intermedio Comentarios

InconvenientesAumenta la pérdida de carga.Sin incidencia relevante sobre el COP.Aumento de la temperatura de descarga.Dificulta el retorno de aceite.

Ventajas

57E. TORRELLA

VentajasSeguridad de entrada de líquido a válvula.

Pérdidas de carga

E. TORRELLA 58

Variación de Potencia frigorífica

8.0

9.0

10.0

11.0

W)

R22 t_ce=5.6 R22 t_ce=5 R22 t_ce=3.8

R134a t_ce=4.5 R134a t_ce=4.1 R134a t_ce=5

R407C t_ce=5.6 R407C t_ce=4.6 R407C t_ce=4.5

59E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

ΔP Baja (bar)

Q0

(kW

Variación de Pc

5.0

5.5

6.0

6.5

W)

R22 t_ce=5.6 R22 t_ce=5 R22 t_ce=3.8

R134a t_ce=4.5 R134a t_ce=4.1 R134a t_ce=5

R407C t_ce=5.6 R407C t_ce=4.6 R407C t_ce=4.5

60E. TORRELLA

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

ΔP Baja (bar)

Pc

(kW

R-22 ; R134a ; R407C

Variación de Potencia frigorífica

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

W)

R22 t_ce=5.2 R22 t_ce=4.1 R22 t_ce=4.75

R134a t_ce=5.25 R134a t_ce=4.7 R134a t_ce=4.1

R407C t_ce=4.45 R407C t_ce=3.97 R407C t_ce=5.44

61E. TORRELLA

R-22 ; R134a ; R407C

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

ΔP Alta (bar)

Q0

(kW

Variación de Pc

5.0

5.5

6.0

W)

62E. TORRELLA

3.0

3.5

4.0

4.5

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

ΔP Alta (bar)

Pc

(kW

R22 t_ce=5.2 R22 t_ce=4.1 R22 t_ce=4.75

R134a t_ce=5.25 R134a t_ce=4.7 R134a t_ce=4.1

R407C t_ce=4.45 R407C t_ce=3.97 R407C t_ce=5.44

R-22 ; R134a ; R407C

EFECTO PÉRDIDAS DE CARGALíneas de vapor. Acción sobre Q0

110Q0 [%]

ASP. DESC.

63E. TORRELLA

0 0,5 1 1,5 2

P.C. [EN °C]

90

100

R-12 [4,4°C; 37.8°C]; SATURACIÓN

EFECTO PÉRDIDAS DE CARGALíneas de vapor. Acción sobre P

110P [%]

64E. TORRELLA R-12 [4,4°C; 37.8°C]; SATURACIÓN

0 0,5 1 1,5 2

P.C. [EN °C]

90

100

ASP DESC.