Informe Ciclos de Refrigeracion
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Ciclos termodinamicos de refrigeracion
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CICLOS TERMODINÁMICOS DE REFRIGERACIÓN
Ciclo termodinámico de refrigeración.
El ciclo de Carnot, que es completamente reversible, es un perfecto modelo de un
ciclo de refrigeración que opera entre dos temperaturas fijas o entre dos fluidos a
diferentes temperaturas y con capacidades de calor infinito
Los ciclos reversibles tienen dos propiedades fundamentales, estas son:
- Ningún ciclo de refrigeración puede tener un coeficiente de performance
mayor que el de un ciclo reversible operando bajo los mismos límites de
temperatura.
- Todos los ciclos reversibles, cuando operan entre los mismos límites de
temperatura, poseen el mismo coeficiente de performance.
(Fuente: ASHRAE Handbook, Fundamentals 2013)
El ciclo con el rendimiento más alto posible es el ciclo de Carnot. Este ciclo se
utiliza como referencia para describir la calidad de un ciclo.
La imagen mostrada anteriormente es la representación de un ciclo ideal en un
diagrama T-s. La temperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropía. La
superficie cerrada de los cambios de estado del fluido de trabajo corresponde al trabajo
realizado en el ciclo.
El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si se trata de un proceso
de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un proceso de máquina motriz (ciclo de vapor).
Los ciclos frigoríficos circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Los ciclos termodinámicos de refrigeración utilizan el cambio de fase de una
sustancia de trabajo para intercambiar calor con procesos a presión constante.
En el caso de los procesos de compresión de vapor, la sustancia de trabajo utilizada
es un refrigerante, el cual es una sustancia que tiene la propiedad de cambiar de fase a
baja temperatura.
Los ciclos de refrigeración pueden utilizarse para enfriar un ambiente como ciclo
de refrigeración propiamente tal, o para calentar un recinto o fluido; en este caso se
denomina bomba de calor.
Refrigerantes.
Para el uso de bombas de calor como elemento para la recuperación de calor
residual en la industria, el refrigerante es el encargado de transportar el calor desde una
fuente de energía hacia una fuente de mayor temperatura para ser reutilizada en algún
punto de consumo térmico.
Según su composición, los refrigerantes se clasifican de la siguiente manera:
- CFC’S: (Clorofluorocarbonos), poseen 2 átomos de cloro, son muy estables en la
atmosfera, contribuyen a la destrucción de la capa de ozono. (R11, R12, R114,
R115, R-500, R-502)
- HCFC’S: (Hidroclorofluorocarbonos), poseen 1 átomo de cloro, son medianamente
estables en la atmosfera y presentan desde un 2 al 20% de la capacidad destructiva
de la capa de ozono en relación a los CFC. En función del aporte a los gases de
efecto invernadero, estos refrigerantes influyen en mayor medida que los CFC.
(R22, R123, R124, R141b)
- HFC’S: (Hidrofluorocarbonos), no destruyen la capa de ozono, pero algunos de
ellos contribuyen a la concentración de gases de efecto invernadero. (R152a, R32,
R125, R143a)
Refrigerante Amoniaco Dióxido
de
carbono
Propano Isobutano Propileno Agua Aire
N° R717 R744 R290 R600a R1270 R718 R729
Formula NH3 CO2 C3H8 C4H10 C3H6 H2O -
GWP 0 1 3.3 4 1.8 0 0
ODP 0 0 0 0 0 0 0
Punto de
ebullición
[°C]
-33.3 -78 -42 -11.8 -48 100 -192.97
Temperatur
a critica [°C]
132.4 31.4 96.7 134.7 91 373.9 -
Presión
critica [Bar]
114.2 73.8 42.5 36.48 46.1 217.7 -
- Mezclas: Varían sus propiedades en función de la composición, comúnmente
utilizados en bombas de calor por absorción. Las mezclas se pueden sub-clasificar
como azeotrópicas, para aquellas que evaporan y condensan a temperatura
constante (R5XX), y mezclas del tipo zeotrópicas, para aquellas que presentan
deslizamientos en el cambio de fase (R4XX).
- Refrigerantes naturales: Son refrigerantes que existen naturalmente en la
naturaleza, los cuales ofrecen cualidades termodinámicas lo suficientemente
aceptables para su uso en procesos industriales, además de su bajo impacto en la
destrucción de ozono y en las concentraciones de gases de efecto invernadero. A
continuación se presenta una tabla que resume los refrigerantes naturales
comúnmente utilizados.
GWP: “Global Warming Potential”
ODP: “Ozone depletion potential”
El amoniaco es un excelente refrigerante usado comúnmente en los procesos
industriales cuando las capacidades térmicas son altas. Años atrás el uso de amoniaco no
era posible al trabajar con altas temperaturas, y solo se limitaba al uso como refrigerante
en procesos de enfriamiento a baja temperatura, sin embargo, los avances tecnológicos
permiten la utilización del amoniaco en los procesos de recuperación de calor residual, en
donde los niveles de temperatura son elevados, gracias a las nuevas tecnologías
empleadas en equipos de compresión los que llegan a temperaturas de 95 °C y presiones
de 55 [bar] trabajando con amoniaco. Este tipo de compresores son del tipo tornillo.
Este refrigerante posee un alto calor latente de vaporización o cambio de fase, que
se ve reflejado en la siguiente curva de saturación.
A presión constante, se observa un elevado calor latente de cambio de fase, lo que
se traduce en una elevada capacidad de transporte de calor, además de poder ser
utilizado como sustancia de trabajo a distintos niveles de temperatura.
El hecho de que el amoniaco presenta una elevada presión de trabajo al ser
utilizado en los procesos de recuperación de calor residual debido a la alta temperatura,
se utilizará otro refrigerante que presente propiedades similares, como método de
comparación para evaluar los ciclos termodinámicos de equipos presentes en el mercado.
El refrigerante seleccionado es el R245fa, el cual se detalla a continuación con los
datos proporcionados por su curva de saturación.
Bombas de calor en recuperación de energía.
Una bomba de calor es una maquina térmica capaz de aumentar la temperatura de
un flujo residual de baja temperatura hasta cierto punto en el cual su potencial térmico
sea posible utilizarlo en algún proceso de la misma planta.
Las bombas de calor usan energía externa (electricidad) para incrementar la
temperatura del calor residual de baja temperatura recuperado desde algún proceso.
Básicamente el sistema funciona en base al principio de refrigeración de Carnot. El
fluido utilizado como sustancia de trabajo por el proceso, absorbe calor en el evaporador
desde la fuente de calor residual, vaporizándose. El vapor es comprimido aumentando su
presión y temperatura, el aporte energético que se debe suministrar al compresor
depende exclusivamente de la temperatura a la cual se desea obtener en el condensador
para su posterior utilización. Desde aquí, circula hacia el condensador en donde expulsa el
calor absorbido en el proceso de evaporación y compresión, en donde este se utiliza en
algún proceso de la planta que posea una demanda térmica.
Las bombas de calor comúnmente se clasifican por el tipo de fluido utilizado como
fuente de calor, y el tipo de fluido utilizado como medio absorbente del calor rechazado
en el proceso de condensación. Existen diferentes arreglos entre los medios en donde se
producen los intercambios de calor, dependiendo de la forma en que se presenta el flujo
residual. Los arreglos utilizados en los procesos de recuperación de calor residual son los
siguientes:
- Aire – Aire:
- Agua – Aire
- Aire – Agua
- Agua – Agua
En cada uno de los casos, el primer término se refiere a la fuente de calor residual
y el segundo término se refiere a la fuente que absorbe el calor rechazado en el proceso
de condensación del fluido refrigerante.
Los componentes de una bomba de calor son los mismos que posee un sistema de
refrigeración, estos son:
- Compresor: Los compresores son máquinas que aumentan la presión de un fluido
por medio de la reducción de volumen de una cámara de compresión. Dentro de
los más utilizados en los procesos de recuperación de calor se encuentran los
compresores reciprocantes, rotatorios y de espiral.
- Evaporador y condensador: Son dispositivos que permiten el intercambio de calor
entre un refrigerante y el medio. Para el caso del evaporador, el intercambio es
entre el refrigerante y el foco frio, en este caso, el flujo de calor residual. En el
condensador el intercambio de calor se produce entre el refrigerante y un flujo
que reciba el calor de condensación. Estas unidades generalmente están formadas
por un arreglo de tubos por los cuales puede circular el refrigerante o el fluido con
el que se intercambia calor; la selección de cada tipo depende de la aplicación y
tipo de fluido.
- Válvula de expansión: Es usada para controlar el flujo y reducir la presión del
refrigerante hacia el evaporador de la bomba de calor.
El esquema básico de funcionamiento se muestra a continuación, en donde la
temperatura del fluido residual con potencial térmico, es utilizada para evaporar un
refrigerante a una baja presión en un evaporador. El vapor refrigerante es comprimido por
efecto del compresor, aumentando su presión y temperatura por medio de la absorción
de energía mecánica de compresión.
El vapor a alta presión y temperatura circula a través de un condensador en donde
el calor es liberado para su utilización en algún proceso. Luego, el refrigerante pasa por un
dispositivo de expansión disminuyendo su presión y temperatura para volver a ingresar al
evaporador.
La eficiencia de estos sistemas depende del calor expulsado en el condensador en
función de la energía proporcionada al compresor. Esta relación se conoce como
“coeficiente de performance” denominado COP, que obedece a la siguiente formula:
COP=Calor rechazadoenel procesodecondensacion [kW ]
Energia aportada al compresor [kW ]
Mientras más alto es el COP, mayor es la eficiencia de la maquina térmica, lo que
impacta directamente en la reducción en los costos de generación de energía si es que
esta tecnología es comparada con una tecnología convencional.
A modo de ejemplificar la reducción en los costos de generación de energía
térmica en los procesos industriales al utilizar el calor residual, se presenta la siguiente
comparación de eficiencias energéticas entre una caldera de combustible fósil y bomba de
calor.
COP= 100unidades decalor utilizable120unidades deenergia consumida
=0.83
COP= 100unidades decalor utilizable16,7unidades deenergia consumida
=6
La mayoría de las bombas de calor para recuperar calor residual operan con
fuentes de calor a una temperatura de entre 30 y 70°C. Para realizar el proceso de
recuperación de calor residual en la industria, se utilizan generalmente 4 tipos de bombas
de calor.
- Bomba de calor mecánica de ciclo cerrado : Utiliza la compresión mecánica de un
refrigerante. En la industria son utilizadas generalmente en procesos de secado,
calefacción de recintos y en el calentamiento de líquido y/o aire para procesos.
- Bomba de calor de compresión mecánica de vapor de ciclo abierto : Utilizan la re
compresión de vapor de agua para aumentar su presión. Son utilizadas
generalmente en los procesos de evaporación y destilación, comúnmente en la
industria del petróleo, química y de alimentos.
- Bomba de calor de termo compresión de ciclo abierto : Utiliza la energía cinética de
un vapor con alta presión para aumentar la presión del vapor residual por medio
de dispositivos de eyección. Estos sistemas son utilizados en la recuperación de
vapor de flasheo en los procesos de secado.
- Bomba de calor de absorción de ciclo cerrado : Utiliza un fluido de trabajo
compuesto por dos componentes y se basa en los principios de evaporación de un
refrigerante y absorción de calor por medio de una sustancia de elevada inercia
térmica. Esta tecnología puede proporcionar temperaturas mucho más elevadas
que otras bombas de calor y una fácil integración a sistemas de generación térmica
renovable, además pueden ofrecer simultáneamente refrigeración y calefacción.
Usadas típicamente en procesos de enfriamiento.
Los porcentajes de distribución en el uso de cada tecnología se muestran a
continuación.
Las bombas de calor ofrecen flexibilidad en cuanto a la utilización en la
recuperación de calor residual, pudiendo adaptarse fácilmente a la fuente de calor. Las
bombas de calor de alta temperatura están tomando fuerza en el campo de la
recuperación de calor a nivel industrial, pudiendo utilizar flujos de calor con una
temperatura entre 30 y 70 °C, en comparación con bombas de calor tradicionales que
utilizan como fuente de calor flujos con temperaturas de entre 5 y 20°C
A continuación se muestra una gráfica representativa de las distintas fuentes de
captación de calor residual, y los procesos en los cuales se puede utilizar el calor
rechazado por la máquina en el proceso de condensación.
Ejemplos de integración de bombas de calor en la recuperación de calor en la industria.
Considerando la versatilidad de la utilización de bombas de calor en los procesos
de recuperación de calor residual, se presentan 4 posibles casos de recuperación de calor
en distintas industrias.
- Industrial del papel.
En la imagen mostrada a continuación, la bomba de calor recupera calor residual
desde el aire húmedo expulsado de los secadores en una industria papelera para calentar
el aire de entrada del secador.
Además, en estas plantas es posible instalar bombas de calor para la recuperación
de calor residual en los procesos de refrigeración de elementos mecánicos y enfriamiento
de agua industrial de desecho a alta temperatura, entre otros.
- Industria de la madera.
En la imagen se muestra la integración de un sistema de recuperación de calor por
medio de una bomba de calor, en el proceso de secado de madera.
- Industria química.
En la siguiente imagen, se muestra la integración de una bomba de calor en una
columna de destilación de vapor en la industria química.
- Industria de alimentos.
Finalmente, en la imagen mostrada a continuación se presenta un esquema de la
integración de una bomba de calor para la recuperación del calor residual en el proceso de
condensado de un chiller utilizado para refrigeración. El calor residual será utilizado en un
proceso de pasterización, clásico en la industria de alimentos (entre 75 y 100°C).
ANÁLISIS DE CICLOS DE
REFRIGERACIÓN
Análisis de ciclos de refrigeración.
El siguiente análisis busca comparar distintas configuraciones de una bomba de calor para
ser utilizado como una unidad recuperadora de calor en la industria.
Para efectuar la comparación, es necesario fijar ciertas condiciones que serán estándar
para todos los ciclos, cuyos valores está muy cercano a situaciones reales que se pueden presentar
en la industria.
A continuación se muestra una tabla que pone en manifiesto los valores que se
mantendrán fijos.
Parámetro Valor
Flujo de calor residual 700 [kW]
Temperatura del flujo residual 30 [°C]
Temperatura de entrada del agua a calentar 20 [°C]
Temperatura del condensador 90 – 100 – 110 – 120 [°C]
Temperatura del evaporador 25 [°C]
Refrigerante R717 – R245fa
Para la evaluación, se compararán 4 temperaturas de condensación que representan los
distintos niveles de temperatura en los cuales un fluido puede mostrar un alto potencial de
integración a nivel industrial, las temperaturas de condensación se muestran en la tabla anterior,
con valores que van desde 90 hasta 120 [°C] con un incremento de 10 [°C].
El agua se calentará por medio del intercambio de calor que ocurre entre el condensador y
el fluido que recibe este calor de condensación, que para este caso es agua. Se supone que a la
salida del condensador, el agua se encontrará a una temperatura de 10 [°C] por debajo de la
temperatura de condensación.
Los ciclos a evaluar, para el uso de amoniaco (R717) como refrigerante, son los siguientes.
- Ciclo básico de una etapa.
- Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
- Ciclo de dos etapas con separación de vapor.
- Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador.
- Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Para el caso del refrigerante R245fa, se debe efectuar una modificación en los ciclos ya
que de acuerdo a las propiedades del refrigerante, cuando se comprime isentrópicamente desde
vapor saturado, el estado final que alcanza es de vapor saturado húmedo, es decir, queda dentro
de la campana de saturación. Situación no recomendada para la operación de compresores. En
virtud de lo anterior se requiere que la condición de entrada del refrigerante al compresor sea de
vapor sobrecalentado y de esta forma alejarlo de la zona de saturación a la salida.
A continuación, se muestran los ciclos termodinámicos utilizando amoniaco como
refrigerante, por medio de un diagrama de presión v/s entalpía, para una temperatura de
condensación de 120 [°C].
Los esquemas de configuración con los datos de análisis para una temperatura de condensación
de 120 [°C] se muestran en un anexo adjunto al final del capítulo.
Ciclo básico de una etapa.
Esquema ciclo básico de una etapa
Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
Esquema ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
Ciclo de dos etapas con separador de vapor.
Esquema ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador.
Esquema ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador.
Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Esquema ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Para cada caso, el flujo de calor de condensación para cada temperatura queda
determinado por la siguiente formula
QCondensacion=mrefrigerante∗¿(hvaporsaturado−hliquido saturado )¿
El calor de condensación es absorbido por el agua que se desea calentar, y como
anteriormente se expresó, la temperatura de salida del agua luego del intercambio de calor en el
condensador es 10 [°C] menor que la temperatura de entrada al condensador, y suponiendo una
temperatura de entrada del agua de 20 [°C] (agua de la red), la siguiente fórmula expresa el
máximo flujo de agua que puede circular por el circuito para absorber el calor de condensación.
QCondensacion=magua∗4,186∗(T salida agua−T entradaagua)
Los ciclos se optimizaron para ofrecer el máximo caudal de agua para las distintas
temperaturas de condensación. Los valores del flujo de refrigerante, flujo de calor de
condensación y flujo de agua se muestran a continuación.
Variación del flujo de calor de condensación para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0 1100.0 1200.0
Variacion de Q de condensador [kW]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Q de condensador [kW]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación del flujo de refrigerante para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200
Variacion flujo de refrigerante [kg/s]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Flujo de refrigerante [kg/s]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación del flujo de agua para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500
Variacion flujo de agua [Lt/s]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Flujo de agua [Lt/s]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Los ciclos termodinámicos presentan un consumo que se asocia al proceso de compresión,
el cual varia para cada ciclo, por lo que en términos de eficiencia, se debe optimizar la selección de
un ciclo de acuerdo a la potencia que este presenta para cada temperatura de condensación, en
función de obtener un caudal razonable a bajo costo. Es importante considerar además del caudal
y consumo, la temperatura a la cual el agua abandona el proceso de condensación.
Como se ve en los diagramas de presión v/s entalpia, a la presión del condensador el
refrigerante muestra un cierto nivel de sobrecalentamiento producido por el proceso de
compresión, el cual se condensa por el agua de salida del condensador, con el fin de aumentar un
par de grados más la temperatura del agua.
A continuación, se presenta una tabla que muestra la potencia que demanda el compresor
para cada ciclo, a distintas temperaturas.
Variación de la potencia del compresor para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0 50.0 100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0
Variacion potencia del compresor [kW]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Potencia del compresor kW]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
En este punto, es posible seleccionar un ciclo a través de distintos criterios, ya sea
privilegiando la menor potencia del compresor para cada nivel de temperatura, o seleccionado un
ciclo que mezcle las dos condiciones más importantes para una máxima eficiencia, entre potencia
y caudal máximo de agua que es posible calentar.
El caudal de agua está estrechamente relacionado con el calor de condensación, el cual a
su vez se relaciona con la potencia del compresor, relación que se conoce como coeficiente de
performance (COP), el cual se detalla en la siguiente tabla.
Es importante mencionar que el calor de condensación considera el calor rechazado en el
proceso de desobrecalentado, condensación y subenfriamiento del condensado para el caso en el
que el agua sea la encargada de recibir este calor.
Variación del COP para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
Variacion COP
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
COP
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
De los ciclos evaluados, el que mayor eficiencia ofrece para los distintos niveles de
temperatura es el ciclo de dos etapas con separación de vapor, seguido del ciclo de una etapa con
subenfriamiento de condensado, los cuales muestran valores de potencia relativamente bajos y
altos caudales de agua en comparación con los demás ciclos.
Para seleccionar un ciclo que mejor se adapte a las condiciones que se fijaron al comienzo
de la evaluación, es necesario evaluar además del COP y flujo de agua, la temperatura a la cual el
agua abandona el proceso, la cual mientras más alta es, a un rendimiento razonable, mayor
versatilidad ofrece para ser integrada a un proceso industrial, desde el punto de vista del proceso
y transporte, ya que mientras más alta sea, mayor distancia puede recorrer el agua para llegar
hasta el punto de consumo con la temperatura deseada, considerando las pérdidas de calor en la
línea de transporte.
La temperatura a la cual el agua abandona la bomba de calor se muestra en el siguiente gráfico.
Variación de la temperatura de salida del agua para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
50.0 70.0 90.0 110.0130.0150.0170.0190.0210.0230.0
Variacion de la temperatura de salida del agua [°C]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo de dos etapas con sep-arador de vaporCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Temperatura de salida del auga [°C]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Se observa que el ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado es el que ofrece
las mayores temperaturas de salida del agua, a una eficiencia razonable con un caudal
relativamente alto, ofreciendo un alto potencial de integración a los procesos industriales.
Si bien, el ciclo mencionado anteriormente ofrece un alto potencial de integración, la
selección de uno u otro dependerá exclusivamente de las condiciones a las cuales se encuentre el
flujo residual, además del criterio de selección, el cual puede privilegiar la temperatura del agua de
salida por sobre las demás condiciones, o seleccionar de acuerdo al máximo caudal de agua
entregado y/o mínimo consumo.
En el análisis anteriormente expuesto, se privilegiaron todas las variables ofreciendo un
ciclo que mezcle un alto potencial de integración en la industria asociado a una potencia
relativamente baja en comparación con los demás ciclos, la cual impacta directamente en el
consumo asociado al proceso de recuperación de calor residual.
Para el uso del refrigerante R245fa se utilizaran los mismos ciclos anteriormente
evaluados, dejando de lado el ciclo de dos etapas con separación de vapor, ya que a la presión
intermedia entre los procesos de compresión, el refrigerante debe encontrarse como vapor
sobrecalentado producto de la situación que se genera explicada anteriormente; condición que no
es posible lograr con el ciclo de dos etapas con separación de vapor ya que a la presión
intermedia, el refrigerante no es posible obtenerlo como vapor sobrecalentado.
Los ciclos seleccionados para esta evaluación son los siguientes.
- Ciclo básico de una etapa.
- Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
- Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador.
- Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Los ciclos fueron planteados bajos los mismos criterios anteriores, como el
precalentamiento del agua antes del intercambio de calor en el condensador, con el fin de
maximizar el caudal de agua que puede ser calentada por el proceso. Es importante mencionar
que en esta etapa el proceso de subenfriamiento está limitado por la temperatura de entrada del
agua ya que el refrigerante a la entrada del evaporador se encuentra a una temperatura por
debajo de la temperatura del agua, situación distinta a la anterior en la que en todo momento el
agua se encontraba por debajo de la temperatura de evaporación, pudiendo obtener un alto nivel
de subenfriamiento debido a la diferencia de temperatura. En este caso, el subenfriamiento está
limitado, primero, por el caudal máximo de agua obtenido en el proceso de condensación, además
de la temperatura limite a la cual se puede subenfriar con agua a 20 [°C].
A continuación, se detallan los ciclos termodinámicos, por medio de un diagrama de
presión v/s entalpía, para una temperatura de condensación de 120 [°C].
Los esquemas de configuración se muestran en un anexo adjunto al final del capítulo.
Ciclo básico de una etapa.
Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador-
Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Para realizar el análisis de los ciclos, se considerará el mismo criterio anterior, en el que se
busca obtener un fluido con un alto potencial de integración en la industria (alto caudal y
temperatura) asociado a una potencia relativamente baja en comparación con los distintos ciclos.
Los gráficos que se exponen a continuación muestran las variaciones que experimentan los
valores asociados a distintas temperaturas de condensación para los ciclos seleccionados.
Variación del flujo de calor de condensación para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0200.0
400.0600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
1600.0
1800.0
Variacion de Q de condensador [kW]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Q de condensador [kW]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación del flujo de refrigerante para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000
Variacion flujo de refrigerante [kg/s]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Flujo de refrigerante [kg/s]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación del flujo de agua para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0000.5001.0001.5002.0002.5003.0003.5004.0004.500
Variacion flujo de agua [Lt/s]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Flujo de agua [Lt/s]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación de la potencia del compresor para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0
Variacion potencia del compresor [kW]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Potencia del compresor kW]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación del COP para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Variacion COP
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
COP
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Variación de la temperatura de salida del agua para cada ciclo a distintas temperaturas.
90
100
110
120
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0
Variacion de la temperatura de salida del agua [°C]
Ciclo de dos etapas con extrac-cion de refrigerante y estanque de mezclaCiclo de dos etapas con sepa-rador de vapor y economizadorCiclo basico con subenfriamiento de condensadoCiclo basico
Temperatura de salida del auga [°C]
Tem
pera
tura
de
cond
ensa
dor [
°C]
Con los resultados anteriormente expuestos, el ciclo que mejores condiciones ofrece para
ser integrado en la industria es el ciclo de dos etapas con separación de vapor y economizador,
ofreciendo un flujo de agua, en algunos casos, mayor que el ciclo que utiliza amoniaco como
refrigerante, sin embargo, este alto caudal involucra una elevada potencia de compresión en
comparación con el ciclo que utiliza amoniaco como refrigerante, además de temperatura de
salida del agua más bajas.
Otro punto a considerar, es el valor del flujo de refrigerante, el cual para el uso del
refrigerante R245fa es bastante elevado en comparación con los ciclos que utiliza amoniaco. Este
valor se asocia al tamaño de la instalación la cual debe trabajar con un mayor volumen de
refrigerante, para lo cual es necesario líneas y equipos de mayor dimensión.
Como ventaja, se observa en los diagramas P-H para cada ciclo, que las presiones de
trabajo para las mismas condiciones de operación son bastante menores para el refrigerante
R245fa, lo cual se asocia a equipos de menor criticidad al trabajar con presiones más bajas.
Si bien, el ciclo ofrece condiciones relativamente similares para cada tipo de refrigerante,
la selección de uno u otro se puede manifestar luego de un análisis económico que involucre
costos de inversión y futuros ahorros que se pueden generar con la integración de bombas de
calor de alta temperatura para la recuperación de calor residual en la industria.
ANEXOS
Tablas de datos del uso de amoniaco para cada ciclo.
VARIACION DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA [°C]Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 100.5 95.6 88.3 95.4 89.7100 122.6 112.4 102.8 113.1 105.2110 152.7 131.7 119.5 134.2 124.1120 202.6 155.4 140.8 161.6 150.9
VARIACION DE Q DE CONDENSADOR [kW]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 911.8 862.1 852.3 859.7 714.0100 963.1 883.8 879.7 889.3 704.0110 1026.0 905.3 907.8 920.0 688.1120 1110.0 926.5 937.1 952.1 662.4
VARIACION POTENCIA DEL COMPRESOR [kW]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 211.8 162.1 152.3 159.7 148.1100 263.1 183.8 179.7 189.3 168.2110 326.2 205.3 207.8 220.0 188.0120 410.4 226.6 237.1 252.1 207.3
VARIACION COP
Temperatura condensador
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento
Ciclo de dos etapas con
Ciclo de dos etapas con
Ciclo de dos etapas con extracción de
[°C] de condensado separador de vapor
separador de vapor y
economizador
refrigerante y estanque de mezcla
90 4.3 5.3 5.6 5.4 4.8100 3.7 4.8 4.9 4.7 4.2110 3.1 4.4 4.4 4.2 3.7120 2.7 4.1 4.0 3.8 3.2
VARIACION FLUJO DE REFRIGERANTE [kg/s]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 0.849 0.649 0.714 0.652 0.682100 0.918 0.642 0.747 0.671 0.690110 1.009 0.635 0.781 0.690 0.699120 1.141 0.630 0.818 0.709 0.708
VARIACION FLUJO DE AGUA [Lt/s]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con separador de vapor
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 2.705 2.725 2.982 2.724 2.449100 2.242 2.286 2.539 2.281 1.975110 1.847 1.937 2.179 1.924 1.579120 1.453 1.634 1.853 1.606 1.209
Tablas de datos del uso de R243fa para cada ciclo.
VARIACION DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA [°C]
Temperatura condensador
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento
Ciclo de dos etapas con
Ciclo de dos etapas con extracción de
[°C] de condensado separador de vapor y
economizador
refrigerante y estanque de mezcla
90 90 86.2 84.6 83.1100 100 96.8 95.4 92.2110 110 107.5 106.1 100.6120 120 118.4 117.0 108.3
VARIACION DE Q DE CONDENSADOR [kW]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 1087.0 963.6 939.3 625.9100 1192.0 1045.0 987.4 601.2110 1343.0 1158.0 1045.0 572.6120 1590.0 1329.0 1120.0 539.5
VARIACION POTENCIA DEL COMPRESOR [kW]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 387.4 263.6 239.3 209.9100 491.7 345.5 287.4 224.9110 642.9 457.6 345.2 238.6120 890.3 629.0 420.1 251.0
VARIACION COP
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 2.8 3.7 3.9 3.0100 2.4 3.0 3.4 2.7110 2.1 2.5 3.0 2.4120 1.8 2.1 2.7 2.1
VARIACION FLUJO DE REFRIGERANTE [kg/s]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 6.855 4.665 4.760 3.795100 8.082 5.679 5.701 3.780110 9.922 7.063 6.914 3.768120 13.020 9.197 8.633 3.758
VARIACION FLUJO DE AGUA [Lt/s]
Temperatura condensador
[°C]
Ciclo básico Ciclo básico con subenfriamiento de condensado
Ciclo de dos etapas con
separador de vapor y
economizador
Ciclo de dos etapas con extracción de
refrigerante y estanque de mezcla
90 3.926 3.562 3.556 2.346100 3.706 3.314 3.268 1.950110 3.667 3.213 3.098 1.639120 3.860 3.273 3.032 1.382
Esquemas de configuración para cada ciclo, en el caso operacional a una temperatura de 120 [°C]
Ciclo básico de una etapa.
Ciclo de una etapa con subenfriamiento de condensado.
Ciclo de dos etapas con separador de vapor.
Ciclo de dos etapas con separador de vapor y economizador.
Ciclo de dos etapas con subenfriamiento de condensado y extracción de refrigerante.
Para el caso del uso del refrigerante R245fa, los esquemas de cada ciclo son exactamente iguales, variando solo en los parámetros que se expusieron anteriormente.
![3[1]. Ciclos de refrigeracion](https://static.fdocumento.com/doc/165x107/577d2e291a28ab4e1eaeb642/31-ciclos-de-refrigeracion.jpg)
