Unidad II: Elementos del sistema de refrigeración por compresión

Unidad II Elementos del sistema de refrigeración por compresión

El compresor constituye la parte principal de los sistemas de refrigeración. Es el encargado de reducir el volumen y por consecuencia incrementar la presión del refrigerante. Además, bombea el refrigerante a través del sistema. Comenzando con el lado de baja del evaporador, el vapor que se encuentra a temperatura y presión bajas fluye por la línea de succión hacia el compresor, que comprime el gas, con lo cual se aumenta su temperatura y presión. El gas caliente y de alta presión pasa luego al condensador, en donde cede calor y se condensa para formar líquido. El compresor también reduce la presión del evaporador. Esto origina que el refrigerante hierve a una temperatura y presión reducidas. El calor del espacio por enfriarse fluye hacia el evaporador debido a la baja temperatura resultante.

La variedad de refrigerantes y el tamaño, localización y aplicación de los sistemas son algunos de los factores que originan la necesidad de muchos tipos de compresores. Ya que las propiedades de los refrigerantes difieren, cierto compresor pudiera requerirse para el manejo de grandes volúmenes de vapor a pequeños gradientes de presión. 2.1 Clasificación y funcionamiento de compresores Los compresores de refrigeración pueden clasificarse en dos grupos principales dependiendo de cómo se logra el aumento de presión del gas: a) Los compresores del primer grupo se les llama de desplazamiento positivo, constituido de

compresores reciprocantes, rotatorios y helicoidales (de tornillo). b) Los compresores del segundo grupo se les llama dinámicos y solamente hay un tipo de

compresor que se usa en refrigeración llamado compresor centrifugo. Compresores alternativos La construcción de los compresores reciprocantes es semejante a la de los motores reciprocantes del tipo automotriz, los cuales se componen de cilindros, pistones, un eje de transmisión y válvulas de succión y descarga. La operación básica del compresor se muestra en la figura 2.1.

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Figura 2.1: Esquema de un compresor tipo alternativo

Una máquina o motor eléctrico acciona el pistón del compresor mediante un sistema de transmisión. Cuando el pistón se mueve hacia abajo en su carrera de succión, el volumen creciente del cilindro da por resultado una disminución de la presión por debajo de la que existe en la línea de succión. La diferencia de presión motiva que se abra la válvula de succión, y el gas refrigerante fluye al cilindro. La válvula de descarga permanece cerrada, debido a que la presión en la línea de descarga es mayor.

Cuando el pistón se mueve hacia arriba en su carrera de compresión, la disminución del volumen hace que aumente la presión del gas. Esto obliga a la válvula de succión a permanecer cerrada. Cerca del final de la carrera, la presión del gas aumenta hasta alcanzar un valor por encima de la presión existente en la línea de descarga, obligando a la válvula de descarga a abrirse, y entonces, el gas comprimido fluye a la línea de descarga y hacia el condensador. Se observará que el compresor efectúa la succión y compresión del gas en cada revolución del cigüeñal. Esta operación del compresor se llama de simple acción, debido a que la compresión tiene lugar solo en un extremo del cilindro. En los compresores antiguos de baja velocidad, se utilizaba otra construcción de los mismos, en la cual el gas se comprime en ambos extremos del cilindro (doble acción).

Los compresores alternativos pueden ser clasificados considerando la posición del elemento que proporciona el movimiento al compresor en abiertos, herméticos y semi-herméticos. 1) Compresores abiertos: el motor y el compresor están separados y acoplados por medio de

poleas y bandas. Ventajas:

• En caso de falla del motor eléctrico, el sistema no se contamina de gases de combustión. • Su mantenimiento es más fácil porque el compresor permite el desarmado de todas sus

partes y sus refacciones se localizan fácilmente en el mercado.

Deben verificarse periódicamente el estado de bandas y poleas así como fugas de refrigerante en el prensaestopas del compresor.

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Figura 2.2: Compresores tipo abiertos

Figura 2.3: Unidad condensadora

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2) Compresores herméticos: el motor eléctrico y el compresor están unidos y metidos en una misma carcaza.

Figura 2.4: Esquema de un compresor tipo cerrado

Figura 2.5: Compresores cerrados de diferentes capacidades

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Ventajas:

• No presenta fugas de refrigerante ni aceite. • Silenciosos. • Su costo es más bajo en relación a los compresores abiertos. • Amplia gama en rangos bajos de capacidad.

Presenta el inconveniente de que su reparación es muy difícil, muy cara y sus refacciones difíciles de localizar en el mercado. Además, cuando se quema el motor eléctrico, contamina el sistema por lo que es necesario limpieza total del equipo. 3) Compresores semi-herméticos: estos tiene las ventajas de los 2 compresores

mencionados anteriormente, es hermético pero a la vez puede desarmarse para darle mantenimiento. Actualmente han tomado gran aceptación en la industria y se han fabricado en una gama muy amplia de capacidades.

Figura 2.6: Compresores tipo semi-herméticos

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Compresores centrífugos

El sistema de refrigeración centrífugo depende de la fuerza centrífuga para la compresión del vapor refrigerante. El rotor (impulsor) del compresor centrífugo permite la entrada del vapor cerca del eje y lo descarga a alta velocidad en el borde exterior del impulsor. La alta velocidad (inercia) se transforma en presión.

Los compresores centrífugos están adaptados especialmente para sistemas que varían desde 5000 hasta 50 toneladas de refrigeración. También son utilizados para intervalos de temperaturas entre -90 y 10 ºC. Los compresores centrífugos son utilizados con refrigerantes que tienen un alto volumen específico. Los compresores centrífugos tienen una rara eficiencia aun cuando funcionen con cargas tan bajas como 20 % de lo normal. Debido a sus altas velocidades de operación los compresores centrífugos se pueden conectar directamente a un impulsor de turbina de vapor de agua.

Figura 2.7: Compresor centrífugo

Compresores rotativos (de tornillos) Este es un compresor utilizado para la obtención de producciones frigoríficas que sobrepasen los modelos convencionales de pistón. Giran a velocidades comprendidas entre 3000 y 30 000 revoluciones por minuto. No emplean válvulas de aspiración ni de descarga y la compresión del refrigerante evaporado se obtiene en el espacio resultante entre los husillos helicoidales de igual diámetro exterior montados dentro de un cárter de fundición de alta resistencia.

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El husillo primario va previsto de 4 pasos de perfil semicircular y el otro, llamado secundario, de 6 pasos. Estos dos husillos no llegan a tocarse entre si, girando uno contra otro con una pequeña holgura en la que se realiza la compresión del refrigerante aprisionado entre los hilos de los husillos.

Figura 2.8: Compresor rotativo (de tornillo)

Figura 2.9: Rotores de un compresor rotativo (de tornillo)

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2.2 Clasificación y funcionamiento de condensadores Es un intercambiador de calor en donde el refrigerante cede calor a un fluido (aire o agua), y por consecuencia a esta eliminación de calor, el refrigerante cambia de fase de vapor a alta presión y temperatura, a líquido a alta presión y temperatura. Como intercambiador de calor debe tener la cualidad de disipar calor con gran eficiencia, entonces el material y la geometría que presente juega un papel importante en la eficiencia del dispositivo. Los tipos más comunes son: 1) Condensadores enfriados por aire: Se utilizan cuando la cantidad de calor que se debe

eliminar es relativamente pequeña. En estos, el serpentín desnudo se expone directamente al ambiente. Los refrigeradores domésticos utilizan este tipo de dispositivo.

Figura 2.10: Condensador de un equipo doméstico de refrigeración

• condensador enfriado por aire, • condensador de doble tubo, • condensador de tubo en coraza, y • condensador de tipo evaporativo.

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Figura 2.11: Condensador enfriado por aire

2) Condensadores de doble tubo: Consiste en un tubo pequeño metido en otro de mayor

diámetro. Por el tubo pequeño fluye el agente enfriador y por el tubo mayor fluye el refrigerante. Si el arreglo es a contraflujo, se obtiene una mayor eficiencia del dispositivo.

3) Condensadores de tubo y coraza: El refrigerante fluye por un tubo de diámetro relativamente grande, y el agente enfriador por unos tubos pequeños alojados dentro del tubo principal. El refrigerante al ceder calor se condensa. Los extremos del intercambiador se llaman cabezales y deben ser instalados con sumo cuidado para evitar fugas y mezclas entre el refrigerante y el agente enfriador.

Figura 2.12: Condensador de tubo y coraza

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Figura 2.13: Esquema de un condensador de tubo y coraza

4) Condensadores de tipo evaporativo: El refrigerante caliente pasa a través del tubo

diseñado con aletas para incrementar el área para la disipación de calor. Al mismo tiempo unas toberas pulverizan el agua y mojan al serpentín, haciendo que al entrar en contacto con la superficie caliente estas se evaporen y absorban calor del refrigerante.

Figura 2.14: Esquema de un condensador de tipo evaporativo

Bomba de recirculación

de agua

Suministro de agua

Rociadores de agua

Refrigerante

Ventilador

Entrada de aire

Bomba de recirculación

de agua

Suministro de agua

Rociadores de agua

Refrigerante

Ventilador

Entrada de aire

También, un ventilador alojado en la parte superior del equipo hace fluir aire que pasa previamente a través de las aletas, absorbiendo una parte de la energía térmica del refrigerante. Estos dispositivos son muy eficientes y están siendo muy utilizados en las industrias de fabricación de hielo.

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Figura 2.15: Condensadores de tipo evaporativo 2.3 Clasificación y funcionamiento de los dispositivos de expansión

Estos dispositivos son los encargados de hacer bajar la presión manteniendo la mayor parte del fluido como líquido. Su funcionamiento está basado en el principio físico del coeficiente de Joule-Thompson.

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Figura 2.16: Representación esquemática de un dispositivo de expansión

Aplicando la primera ley de la termodinámica, y considerando: WkQHEE pc −=∆+∆+∆ Donde:

Trabajo mecánico: Wk = 0, Superficies aisladas: Q = 0, Velocidad constante: ∆Ec = 0, No hay cambio de altura: ∆Ep = 0.

Estos dispositivos también han evolucionado grandemente. Los tipos más comunes son: Las válvulas de tubo capilar son muy utilizadas en refrigeración doméstica y consta de un tubo de cobre de un diámetro muy pequeño por donde el refrigerante fluye. Debido al tamaño del tubo, la fricción que opone al flujo es grande y provoca la caída de presión. Este cambio de presión está en función de la longitud del tubo, por lo que es necesario saber las presiones de condensación y evaporación, para que esta longitud pueda ser determinada. En la entrada del tubo lleva un filtro para evitar que las partículas sólidas entren al tubo y lo obstruyan.

Figura 2.17: Dispositivo de expansión tipo tubo capilar

Superficie aislada

Superficie aislada

Fluido Obstáculo

Superficie aislada

Superficie aislada

Fluido Obstáculo

Por lo tanto: ∆H = 0 ⇒ H1= H2

De tubo capilar Válvulas manuales Válvulas automáticas

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Las válvulas manuales son muy simples, su vástago es maquinado con precisión en forma de cono para un control riguroso del refrigerante. Tal como su nombre lo indica, estas válvulas son operadas a mano, por ello, en la actualidad son de poco uso.

Figura 2.18: Válvula termostática de expansión manual Las válvulas automáticas regulan el paso correcto de refrigerante de acuerdo a la necesidad en el sistema, utilizando para ello flotadores, diafragmas, censor termostático o válvulas operadas eléctricamente.

Figura 2.19: Válvula termostática de expansión automática tipo diafragma

Las más utilizadas de este tipo son las de diafragma que consiste en un arreglo de diafragma-resortes que actúan de acuerdo a un diferencial de presiones entre el condensador y el evaporador. En estas válvulas tienen un bulbo termostático conectado al serpentín del evaporador.

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Este bulbo tiene en su interior un gas altamente expansivo, de tal manera que si la temperatura en el evaporador baja, el gas se contrae y un mecanismo de resortes hace que el diafragma mueva la válvula de aguja y obstruya el orificio restringiendo el flujo de refrigerante en el sistema.

Figura 2.20: Conexión de una válvula termostática de expansión

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Figura 2.21: Válvulas termostáticas de expansión 2.4 Clasificación y funcionamiento de evaporadores Estos intercambiadores permiten la expansión del refrigerante, haciendo que absorba el calor de los alrededores para que se logre el cambio de fase del refrigerante. El cambio de fase del líquido a vapor debe llevarse a cabo al 100 % para aprovechar al máximo esta absorción de calor. Estos dispositivos se clasifican de acuerdo su utilización:

• de evaporación directa • de evaporación indirecta

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En el primer caso, el refrigerante hierve en el serpentín del evaporador, y por contacto directo enfría el aire o la sustancia que se desea abatir su temperatura. En el segundo caso, existe un agente que es enfriado por el refrigerante, y este a la vez, es utilizado para enfriar algún espacio determinado. Este agente puede ser agua, salmuera o cualquier fluido que posea las propiedades termodinámicas necesarias.

Figura 2.22: Representación esquemática de un sistema de expansión indirecta

Condensador

1 2

34

VTE

Compresor Evaporador

SalmueraCondensador

1 2

34

VTE

Compresor Evaporador

Salmuera

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