FCI-_cap_2-_2012_L

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FRED i CALORINDUSTRIAL

Curs 2011-12

2. Refrigeración por compresión de vapor



2

2. REFRIGERACION POR COMPRESIÓN

2. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DEVAPOR

2.1 Ciclo ideal- Descripcion y componentes- Procesos y balances de energía en los componentes- Producción frigorífica, trabajo de compresión, caudalvolumetrico aspirado por el compresor y COP

- Representación del ciclo en el diagrama p-h- Influencia de la temperatura de evaporción ycondensación en el funcionamiento del ciclo



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2.2 Ciclo básico real- rendimiento isoentropico del compresor

- subenfriamiento liquido- recalentamiento a la aspiración- subenfriamiento y recalentamiento mediante el

uso intercambiador intermedio- desviaciones del ciclo real respecto del ideal



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2. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE

VAPOR

2.3 Ciclos multietapa- Limitaciones del ciclo de compresión de simple etapa- Ciclos de compresión multietapa directa- Ciclos de compresión multietapa indirecta o en cascada



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2.1 Ciclo ideal- Descripcion y componentes- Procesos y balances de energía en los componentes- Producción frigorífica, trabajo de compresión, caudalvolumetrico aspirado por el compresor y COP

- Representación del ciclo en el diagrama p-h- Influencia de la temperatura de evaporción ycondensación en el funcionamiento del ciclo



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Ciclo ideal : Descripcion y componentes

2.1 Ciclo ideal



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evaporador ( EVAP )

baja temperatura baja presión

condensador (COND ) alta temperatura

alta presión

tubo capilar ( CAP )

“estrangulación”

mantiene la diferencia depresión

compresor ( COM ) Aspiración

compresión de vapores


2.1 Ciclo ideal



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2.1 Ciclo ideal

Compresor

Condensador

Válvula expansiónAumenta la presión

Cede calor al ambiente

Enfria el aire / agua

Reduce presión

Evaporador



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Ciclo ideal : Procesos y balances de energía

2.1 Ciclo ideal

1 a 2 Compresión isoentrópica:Proceso en el compresor, el cual realiza

dos funciones :• extraer los vapores de baja presión

generados en el evaporador, yademás

• comprimir estos vapores a unapresión suficiente para realizar lacondensación con la ayuda de unmedio exterior de disipación.

Este equipo asegura la circulación defluido a través de todos los componentes

de la máquina

El ciclo ideal de compresión de vapor que sigue un fluido refrigerante en una máquina decompresión simple consta de los siguientes procesos o transformaciones

La potencia específica de compresiónisoentrópica es ws= h2s-h1

)hh(mWW 1s2ss



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Ciclo ideal : Procesos y balances de energía

2.1 Ciclo ideal

2 a 3 Condensación del refrigerante, que tiene lugar en un intercambiador

denominado condensador. Inicialmente el vapor que sale del compresor se des-

recalienta a temperatura variable, y a continuación cambia a estado líquido atemperatura constate si se trata de un fluido puro y no de una mezcla.

La potencia del condensador

Y el calor específica del condensador es qc=h2s-h3

)hh(mQ 3s2C



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Ciclo ideal : Procesos y balances de energia

2.1 Ciclo ideal

3 a 4 Expansión isoentálpica. En este proceso la presión se reduce sin

intercambio de calor o de trabajo, y tiene lugar en una válvula de expansión.

Además de la pérdida de presión, el refrigerante líquido se vaporizaparcialmente, con un descenso significativo de temperatura.Se trata de un proceso isoentálpico, fuertemente irreversible.

h3=h4x4= (h3-h’4)/(h’’4-h’4)

h4’ h4’’



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2.1 Ciclo ideal

3 a 4 Evaporación del fluido refrigerante en el evaporador, donde tiene lugar el

efecto (útil) de enfriamiento de la máquina cuando esta trabaja como máquinafrigorígica. En la figura el vapor sale saturado.

La potencia frigorífica es

El efecto frigorífico o producción frigorifica específica qe = h1- h4

)hh(mQ 41e



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2.1 Ciclo ideal



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Producción frigorífica, trabajo de compresión, caudal volumetrico a laaspiración del compresor y COP

2.1 Ciclo ideal

Producción frigorífica o efecto frigorífico

qe = h1-h3

La potencia frigorífica , siendo el caudal másico delrefrigerante en circulación

Potencia específica de compresión o trabajo de compresión específico :

w= h2-h1La potencia de compresión es

Si el proceso de compresión es isoentrópico, ws = h2s-h1

El caudal volumétrico a la aspiración del compresor

El COP se define como la relación Qe/W= qe/w = (h1-h3)/(h2-h1)

eqmQ

wmW

m

1vmV a



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Ciclo ideal : Representación el diagrama p-h

2.1 Ciclo ideal

El Ciclo simple e ideal quedaestablecido al fijar latemperatura/o presión deevaporación y la de condensación



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Ejercicio

2.1 Ciclo ideal

El refrigerante R134a opera en un ciclo ideal con una temperatura deevaporación de -20ºC, y 40ºC de condensación. La potencia frigorífica es de 5kW.Dibujar el ciclo en el diagrama P-h, calcular el caudal de refrigerante encirculación, la potencia del compresor y el COP



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Ciclo ideal : Influencia de la temperatura de evaporación y de lacondensación en el ciclo

2.1 Ciclo ideal

Repetir el ejercicio anterior1) Aumentando 5ºC la temperatura de evaporación

2) Disminuyendo 5ºC la temperatura de condensación

Comparar los resultados con los del ejercicio anterior para las siguientesvariablesPresiones de alta (Pc) y de baja (Pe) y relación de compresión RC=Pc/Pe

Potencia frigorífica específica o efecto frigorificoTrabajo específico de compresiónCOPCaudal másico en circulación por kWVolumen específico a la aspiración

Caudal volumétrico desplazado por el compresor



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Ciclo ideal : Influencia de la temperatura de evaporación y de lacondensación en el ciclo

2.1 Ciclo ideal

m

V

COP

wqe

v1

RC=PC /PE

Te=-20ºC

Tc=35ºC

Te=-15ºC

Tc=40ºC

Te=-20ºC;Tc= 40ºC



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- rendimiento isoentropico de compresion

El trabajo real de compresión es en la práctica superior al isentrópico ypuede obtenerse a partir del rendimiento isentrópico del compresor

Rendimiento isoentrópicos = ws /w

Trabajo específicoisoentrópico de compresión

w S= (h2s-h1)

Trabajo específico real

w= (h2-h1)

Conocidos el rendimiento isoentrópico y h1 , el valor de h2 se puede calcular

h2 = h1 + (h2s-h1) / s



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- subenfriamiento liquido

En el ciclo real, a la entrada del dispositivo de expansión, el liquido sueleestar subenfriado, bien sea porque se haya producido este subefriamientoen el propio condensador ( subenfriamiento interno) o en unintercambiador específico llamado SUBENFRIADOR (subenfriamientoexterno).



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- subenfriamiento liquido

EFECTOS DEL SUBENFRIAMIENTOEl titulo de vapor x4 a la entrada

del evaporador es menor

Aumenta el efecto frigorifico qe

(entre un 0.5 y 2% por grado de

subenfriamiento)

Para una capacidad frigorífica QE

dada, el caudal másico requerido

es menor.

En consecuencia la potencia de

compresión es menor.

El COP aumenta



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- recalentamiento del vapor

En el ciclo real, a la entrada del compresor el vapor suele estar recalentado o sobrecalentado ( Temperatura > Temp. Saturación).El recalentamiento puede ser interno y producirse en el evaporador ,aumentando así el efecto frigorífico, o externo y producirse fuera delevaporador, debido a otras causas (pérdidas de carga, enfriamientodel devanado del motor del compresor …), con lo cual su existenciaes menos útil.

El interés delrecalentamiento del vapor tiene que ver con lanecesidad de evitar laentrada de liquido al

compresor y con laregulación del caudal delrefrigerante mediante laválvula de expansión



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- recalentamiento de vapor

Recalentamiento interno

Aumenta algo el efecto frigorífico qe

El efecto frigorífico volumétricodisminuye, ya que el volumen específico

a la aspiración aumenta

El trabajo especifico de compresión

aumenta. EL COP disminuye

Para un mismo caudal volumétrico

desplazado, el caudal másico disminuye

al aumentar el volumen especifico.

La capacidad frigorífica disminuye

La temperatura a la salida del

compresor aumenta

Las válvulas de expansióntermoestáticas se diseñan paramantener un cierto grado derecalentamiento a la salida delevaporador y evitar golpes de liquido enel compresor.

EFECTOS DEL RECALENTAMIENTO



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2.2 CICLO BÁSICO REAL- recalentamiento de vapor

EFECTOS DEL RECALENTAMIENTO

Recalentamiento externo

No cambia el efecto frigorífico qe

El efecto frigorífico volumétricodisminuye, ya que el volumen específico a

la aspiración aumenta

El trabajo especifico de compresión

aumenta. EL COP disminuye ( más que en el caso

anterior)

Para un mismo caudal volumétrico

desplazado, el caudal másico disminuye alaumentar el volumen especifico.

La capacidad frigorífica disminuye

más

La temperatura de descarga delcompresor aumenta

El recalentamiento externopuede producirse por un malaislamiento de la tuberia deaspiración, perdidas de cargaetc.

Ó



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.

2.2 CICLO BÁSICO REAL- Subenfriamiento y recalentamiento mediante un

INTERCAMBIADOR DE CALOR INTERMEDIO

La colocación de unintercambiador de calor entre la

corriente de vapor que sale delevaporador a baja temperatura y lade liquido que sale delcondensador y que se dirige a laválvula de expansión a alta presión

y temperatura, tiene interés enalgunos aplicacionesdependiendo de las condicionesdel ciclo y del tipo de refrigeranteutilizado.

Ó



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Termodinámicamente el ciclo se modifica obteniéndose una mayor producción frigorífica(h1-h4) pero a costa de consumir mayor potencia específica de compresión (h2-h1) al sermayor la pendiente de las líneas isoentrópicas.

Tecnológicamente el uso del intercambiador elimina la posibilidad de golpes delíquido en el compresor (al entrar el vapor recalentado o vapor seco) y la seguridad deuna buena regulación del flujo en la válvula de expansión. No obstante siempre existirá elproblemas añadido del aumento de temperatura de los vapores a la salida del

compresor, pudiendo en algunos casos llegar a niveles de descomposición del aceitelubricante del compresor .

2.2 CICLO BÁSICO REAL - Subenfriamiento y recalentamientomediante el uso de un INTERCAMBIADOR DE CALOR INTERMEDIO

Ó



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Intercambiador intermedioEl calor intercambiado entre las dos corrientes circulantes debe ser igual: así el

aumento de entalpia de la corriente de vapor ha de ser igual al descenso deentalpia de la corriente liquida.

La eficacia del intercambiador = Qreal /Qmax= Tvapor /T3-T1 = (T1’-T1) /(T3-T1)

Conocida la eficacia y las temperaturas T3 y T1 podemos calcular el calorintercambiado y el resto de temperaturas a la salida del intercambiador.

TLe = T3 = 40 ºCTLs = T3’ = ?? ºC

TVs = T1’ =?? ºCTVe = T1 = -5 ºC

2 REFRIGERACION POR COMPRESIÓN



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EjemploUn ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor semodifica incluyendo un intercambiador de vapor de calor acontracorriente, como muestra la figura. El freón-12 deja elevaporador como vapor saturado a 1,4 bar y se calienta apresión constante hasta unos 20 ºC antes de entrar al

compresor. Después de la compresión isentrópica hasta 12 bar,el refrigerante pasa a través del condensador, saliendo a 44 ºC y12 bar. A continuación, el líquido pasa a través de unintercambiador de calor, entrando en la válvula de expansión a12 bar. Si el flujo másico es de 6 kg/min, determinar los

siguientes parámetros para el ciclo sin intercambiador y conintercambiador:

a).- Dibujar el ciclo frigorífico sobre el diagrama Phb).-Determinar la temperaturas, entalpías, presiones yvolúmenes específicos de los puntos característicos.

a).- La capacidad de refrigeraciónb).- La potencia del compresor.c).- El COPd).- En el caso de considerar intercambiador, el gradoenfriamiento y sobrecalentamiento




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DESVIACIONES DEL CICLO REAL RESPECTO DEL IDEAL

En la práctica los procesos en los equipos reales son diferentes de los de un cicloideal, y por lo tanto habrá que introducir un cierto tipo de rendimiento o eficiencia acada uno de los equipos en comparación con el ideal.

• Válvula de expansiónEl funcionamiento real es muy similar al descrito, es decir isoentálpico.Si se usa una válvula termoestática, deberá existir un cierto grado de

recalentamiento útil (producido en el evaporador) y en cambio si se usa una deflotador puede suponerse que los vapores salen saturados.

• IntercambiadoresEl intercambio de calor entre dos fluidos requiere la existencia de una diferenciade temperaturas, ya que en un equipo real el área de intercambio está limitada.Evaporador : Debe existir una diferencia de temperatura, salto térmico, entre latemperatura de entrada del medio enfriado ( aire, agua ..) y la temperatura deevaporación del refrigerante.Este salto depende del área del evaporador, de la potencia frigorífica a suministrary del tipo de aplicación. Para evaporadores “secos” hay un recalentamiento útil.

2.2 CICLO BÁSICO REAL




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RECALENTAMIENTO Y SUBENFRIAMIENTOTanto en la aspiración como en la tubería de descarga y de líquido existe una

transferencia de calor con el ambiente que las rodea. Esta pérdida o ganancia decalor por parte del refrigerante que circula por dichas tuberías conlleva una

modificación de sus propiedades termodinámicas.

Tuberias de aspiraciónHay que diferenciar el tramo dentro del evaporador, en el que se produce unrecalentamiento útil, y el tramo exterior en que el recalentamiento producido no es

útil.Tuberias de líquidoLa transferencia de calor es más bien escasa por encontrarse a temperaturaspróximas a la ambienteTuberías de descarga

Existe un enfriamiento de los vapores de descarga del compresor cuyo efecto esbeneficioso y se incluye en el condensador




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Intercambiador intermedioEl calor intercambiado entre las dos corrientes circulantes debe ser igual: así elaumento de entalpia de la corriente de vapor ha de ser igual al descenso deentalpia de la corriente liquida.

La eficacia del intercambiador = Qreal /Qmax= Tvapor /T3-T1 = (T1’-T1) /(T3-T1)

Conocida la eficacia y las temperaturas T3 y T1 podemos calcular el calorintercambiado y el resto de temperaturas a la salida del intercambiador.

TLe = T3 = 40 ºCTLs = T3’ = ?? ºC

TVs = T1’ =?? ºCTVe = T1 = -5 ºC




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PERDIDAS DE CARGA

En una instalación real la circulación del fluido refrigerante produce pérdidas decarga. Estas pérdidas se pueden localizar fundamentalmente en :

- Línea de descarga compresor-condensador- Evaporador

- Linea de aspiración- Intercambiadores- Elementos accesorios y otros

- línea de liquido

En el caso de la línea de líquido, puede ocurrir que éstas lleven al refrigerante a lazona de bifásica en la entrada de la válvula, con lo que ésta alimentará

deficientemente al evaporador (dada la gran diferencia entre el volumen específico

del liquido y del vapor).




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COMPRESOREs elemento más complejo de la instalación. En la práctica existen

- Pérdidas de carga en válvulas, entrada y salida del compresor- Existencia de un espacio muerto de reexpansión del vapor refrigerante- Adición de calor al vapor de admisión desde las paredes del cilindro- Pérdidas de calor al ambiente,

- Rozamientos, fricciones y pérdidas eléctricas en el motor de accionamiento

- Presencia de incondensables y de lubricante, etc-

En los compresores volumétricos el caudal volumétrico aspirado Va es siempre

menor que el ideal o desplazamiento volumétrico teórico Vt del compresor (característico del compresor).

El rendimiento volumétrico se define como v= Va /Vt

Así pues, el caudal volumétrico aspirado por el compresor es Va= v Vt y

la capacidad frigorífica se expresa como

QE= qv Va = qv v Vt

4 COMPRESORES



37

4. COMPRESORES

4.3 COMPRESORES ALTERNATIVOS O DE PISTÓN

CICLO DE COMPRESION

Diagrama presión-volumen o del indicador




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39

G C O O CO S Ó

2.3 CICLOS MULTIETAPA

LIMITACIONES DEL CICLO DE COMPRESIÓN SIMPLE

El ciclo de simple etapa es apropiado en aquellas instalaciones(climatización, cámaras de refrigeración de productos perecederos,.. ) en que

la diferencia de temperaturas de condensación y evaporación ∆T nosobrepasa los 40ºC. ∆T = TC-TE < 40ºC.

Un aumento del salto de temperaturas ∆T tiene las siguientesconsecuencias

- necesidad de una mayor relación de compresión PC /PE,, con unadisminución muy acusada del rendimiento volumétrico, en compresoresvolumétricos, y en consecuencia una disminución de la capacidadfrigorífica

- un descenso del efecto frigorífico por aumentar el título de vapor a laentrada del evaporador- un incremento significativo de la potencia específica de compresión, locual acarrea un menor COP-un aumento de la temperatura de descarga del compresor, que puede

provocar descomposición del lubricante.




a

b

d

c

PA

PBd’

a’

b’

Reducción rendimiento volumétrico por presión más elevada en condensación




a

b

d

c

PB

PA

d’

b’ c

Reducción rendimiento volumétrico por presión más baja en evaporador




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LIMITACIONES DEL CICLO DE COMPRESIÓN SIMPLE

Por estas razones, en estos casos, resulta conveniente la utilización de ciclosde compresión múltiple ya sea directa o indirecta (en cascada)

La diferencia fundamental entre ambos sistemas es que en los ciclos decompresión múltiple directa se utiliza un único fluido refrigerante, mientras

que en el otro tipo se utilizan diferentes refrigerantes adecuados a lascondiciones de trabajo de cada ciclo.




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CICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE INDIRECTA o en cascada

En aquellas instalaciones en que se

requiera una temperatura de trabajo muybaja, el uso de varios ciclos en cascadacon diferentes fluidos refrigerantes resultamuy eficaz frente a la utilización de unúnico fluido refrigerante.

La selección del refrigerante se haráteniendo en cuenta las condiciones detrabajo de cada ciclo.

COP= Qo/(WcB+WCA)




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Datos : TE , TC , QE

mA= QE / (h1-h4)

Calculo del caudal del ciclo de alta mB

Balance de energía en el condensador de baja (A) y evaporador de alta

Potencia de compresión : W = mA (h2-h1) + mB (h5-h4)

COP = QE / W



2.3 CICLOS MULTIETAPACICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE INDIRECTA o en cascada

Problema

Una instalación de congelación precisa trabajar con el evaporador a -60 ºC.Dada que esta temperatura es extremadamente baja, se decide diseñarla conun sistema de compresión multietapa en cascada con R-13 y R-22. En elexterior, el condensador de alta opera a una temperatura de 30 ºC. La

demanda térmica de la instalación es de 100000 kcal/h. Las temperatura delcondensador intermedio de -25 ºC. Suponer que los ciclos de alta y bajatemperatura son ideales:

a).- Dibujar los ciclos frigoríficos de alta y baja temperatura.

b).- Determinar los propiedades termodinámicas de los puntos característicos.

c).- Calcular el caudal másico de refrigerante, el volumétrico a la aspiración delcompresor y el trabajo del compresor en la etapa de baja temperatura.

c).- Calcular el caudal másico de refrigerante, el volumétrico a la aspiración delcompresor y el trabajo del compresor en la etapa de ALTA temperatura.

d).- Determinar el trabajo de compresión total.

e).- Determinar el COP global de la instalación.



Etapa de baja temperatura

170 274 295



Etapa de alta temperatura

235 394 448




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CICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE DIRECTA

- El refrigerante se comprime sucesivamente dos o más veces en serie, con el

fin de que en cada compresión la relación de compresión sea moderada y asímantener buenos rendimientos volumétricos

- Además se realiza enfriamiento del refrigerante entre las etapas decompresión con el fin de mejorar el rendimiento volumétrico y lograr menores

temperaturas de descarga y menor potencia de compresión.




50






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La dificultad principal para enfriar el vapor de la primera etapa reside en que

en muchas ocasiones se necesita un medio disipativo a temperaturainferior a la ambiente . Por ello es corriente utilizar el propio refrigerantecomo medio de enfriamiento.

Una de las soluciones es la de INYECCION DIRECTA de parte delrefrigerante para el enfriamiento de los vapores a la presión intermedia

Como consecuencia se producirá una merma en la potencia frigorífica al serutilizada en parte para el enfriamiento de los vapores de descarga delcompresor de baja




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CICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE con inyección directa

Caudal másico inyectado mi ; Caudal másico por evaporador: mEl caudal de refrigerante que circula por cada etapa de compresión es diferente.

Por la primera etapa circula m y por la segunda m+mi

Balance de energía en la mezcla a la presión intermedia

m h2 + mi h4 = ( m+mi) h2’

Y el caudal inyectado resulta ser mi = m (h2-h2’)/(h2’-h4)

V1V2




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CICLOS DE COMPRESION MULTIPLE DIRECTA CON EXPANSIONMULTIPLE e inyección parcial

Otra posibilidad de enfriamiento de los vapores de descarga de la compresión debaja consiste en realizar una expansión en dos o más etapas y utilizar el

vapor producido en la primera expansión para enfriar los vapores a lapresión intermedia mediante su mezclado. (Ciclo con inyección parcial )

La ventaja de este sistema es que el vapor utilizado para el enfriamientointermedio no reduce la capacidad frigorífica, y al no tenerlo que

comprimir en el compresor de baja, disminuye la potencia de compresión




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También se puede mejorar el ciclo realizando un subenfriamientodel liquido que alimenta el evaporador a expensas delrefrigerante que alimenta la válvula V1

CICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE DIRECTA con EXPANSIONDIRECTA e inyección parcial y subenfriador




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CICLOS DE COMPRESIÓN MULTIPLE DIRECTA con EXPANSIONMULTIETAPA e inyección total

Es posible conseguir disminuir todavíamás la temperatura de descarga del

compresor, haciendo pasar el vapor dela primera etapa de compresión por elliquido del deposito (“burbujear”) deforma que salga como vapor saturado.

( INYECCION TOTAL)




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La elección de la presión intermedia puede realizarse en base a diferentes

criterios

-Igualdad de relaciones de compresión

-Igualdad de temperaturas de descarga

-Potencia minima de compresión

- Necesidad de una temperatura intermedia

cei ppp

cei TTT




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EjemploConsideremos un ciclo de compresión de dos etapas y expansión en dosetapas con inyección parcial que opera con amoniaco en las siguientescondiciones

TE = -40ºC ; TC = 30ºC y Tm = -10 ºCLa capacidad frigorífica es 100 kWSuponer que la compresión de los compresores es isoentrópica y que el ciclo essin subenfriamiento interno en el condensador ni recalentamiento en elevaporador. El refrigerante es amoníaco

Calcular las presiones, temperaturas, caudales , potencias , COP del ciclo


2 3 CICLOS MULTIETAPA



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Para aplicaciones en que se requierarefrigerar a varias temperaturas esposible operar utilizando un únicocompresor .

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