UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “JUAN MISAEL
SARACHO”
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERÍA QUIMICA
“REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR”
TARIJA – BOLIVIA
REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
La refrigeración se conoce mejor por su utilización en el acondicionamiento del
Aire de edificios y en el tratamiento, transportación y conservación de alimentos y
Bebidas. También encuentra uso industrial a gran escala, por ejemplo, en la fabricación
de hielo y la deshidratación de gases. Las aplicaciones en la industria del
Petróleo incluyen la purificación de aceites lubricantes, las reacciones a bajas temperaturas y la
separación de hidrocarburos volátiles. Un proceso estrechamente
Relacionado es la licuefacción de los gases, que tiene aplicaciones comerciales.
La palabra refrigeración significa mantenimiento de una temperatura inferior a la del ambiente.
Esto requiere absorción continua de calor aun bajo nivel de temperatura, a menudo logrado por
evaporación de un líquido en un proceso de flujo continuo en estado uniforme. El vapor que se
forma puede regresar a su estado líquido original para su revaporación en alguna de dos formas,
siendo la más común la compresión y condensación del mismo. Alternativamente, puede ser
absorbido por un líquido de volatilidad baja, del cual es evaporado posteriormente a presión
más elevada. Antes de tratar estos ciclos prácticos de refrigeración, se considerará al
refrigerador de Carnot, el cual proporciona un parámetro de comparación
La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a
través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado
evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse
el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en
estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este
medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina
carga térmica. Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de
aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor
conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del
sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga
térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para
lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- es
necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua
conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta
manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula
de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.
Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario
Por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por
q + w = h salida – h entrada
La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el Evaporador QEVAPOR
planteada así:
. Q evap= m( h1 –h4 )
En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que sólo
existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está dado por:
C.O.P = Ql
W neto=
h1−h4
h2−h1
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN CASCADA
El ciclo en cascada es un conjunto de ciclos de compresión de vapor simple en serie, de manera
que el condensador de un ciclo de temperatura inferior, proporciona calor al evaporador de un
ciclo de temperatura mayor. El refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el
objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión
Criterios que determinan el uso del sistema cascada.
• La diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es grande.
• La variación de la presión del vapor con la temperatura de saturación
De un único refrigerante no se ajusta a los valores deseados para el evaporador y el
condensador.
• Cuando se utiliza una sola unidad de compresión disminuye la capacidad de refrigeración.
Análisis de los sistemas en cascada:
• Los flujos másicos de los refrigerantes en los diferentes ciclos, generalmente tienen
cantidades distintas, independientemente del tipo de refrigerantes.
• El flujo másico mB está determinado por la capacidad de refrigeración necesaria en el
evaporador del ciclo B.
• El flujo de calor transferido por el condensador B debe ser igual al flujo de calor transferido
hacia el evaporador del ciclo A, cuando el intercambiador de calor global está bien aislado.
Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial en régimen estacionario y
considerando el intercambiador de calor (condensador evaporador) adiabático, el balance de
energía se plantea:
Σ m entra h entra = Σ m salida h salida
Estableciendo la analogía con lo planteado en las gráficas se tiene:
Donde m B = m2 + m3 m A = m5 +m8
Sustituyendo los términos correspondientes se tiene:
Donde m B (h2 –h3) = m A (h 5-h8)
El rendimiento de estos dispositivos, en cascada se plantea como:
C.O.P = Ql
W neto=
mB(h¿¿1−h4)mA(h¿¿6−h5)+mB(h¿¿2−h1)¿¿
¿
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
MÚLTIPLES ETAPAS
Para sistemas de compresión de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del
compresor, se realizan modificaciones que consiste en incluir la compresión multietapa con
refrigeración intermedia. En estos ciclos de refrigeración intermedia el sumidero de energía
puede ser el mismo
Refrigerante, ya que en muchos puntos del ciclo, la temperatura del refrigerante es inferior a la
temperatura del ambiente. Por tanto, el intercambiador de calor que funciona como refrigerador
intermedio, se convierte en un intercambiador regenerativo, ya que el calor se transfiere de
Forma interna en el sistema.
La fracción de vapor que se forma en la cámara de evaporización instantánea, es la calidad X
del fluido en el estado 6 del diagrama de máquinas tal como se observa en la figura y es la
fracción de flujo que pasa por la cámara de mezcla proveniente de la cámara de evaporación
Instantánea. La fracción de líquido formado es 1-X, que corresponde a la fracción del flujo total
que pasa por el evaporador.
Aplicando el balance de energía en la cámara de mezcla en condiciones adiabáticas, para
determinar la entalpía, a la salida de la cámara se tiene:
x h3 + (1− x) h2 = 1 h9
El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es:
q refriger= (1 –x) (h1- h8 )
El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador es
la suma de las dos (2) etapas, es decir:
w compresor =( 1 –x)( h2- h 1)+( h4 –h9)
El COP del ciclo de compresión de vapor de dos etapas, con refrigeración intermedia
regenerativo, se sigue definiendo como:
C.O.P = Ql
W neto
REFRIGERANTES
REFRIGERANTE. es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento,
absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración
mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al
refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja
temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión
HISTORIA DE LOS REFRIGERANTES
La práctica de la refrigeración, probablemente ha existido desde la época de las cavernas. Con
frecuencia, en la historia se menciona el uso de hielo y nieve naturales para fines de
enfriamiento. Los chinos, y después los romanos, los usaban para enfriar sus bebidas. En
algunos lugares donde sólo tienen hielo en el invierno, lo almacenaban en fosos para usarlo en
el verano. En lugares desérticos donde no disponían de hielo o nieve en ninguna época del año,
como en Egipto, se utilizaba la evaporación del agua para el enfriamiento de bebidas, y hasta
algunos dispositivos ingeniosos para hacer la estancia más confortable.
El agua fue el primer refrigerante, con una larga historia de uso, continuando hasta nuestra
época. Con el paso del tiempo, se han hecho mejoras en cuanto a su manejo y almacenamiento,
pero aún se utiliza el hielo natural por todo el mundo. El uso histórico y fundamental del hielo,
ha sido reconocido en una unidad de refrigeración: la tonelada de refrigeración, la cual se
define como la cantidad de calor que se requiere para fundir dos mil libras de hielo en 24 hrs.
IDENTIFICACIÓN DE REFRIGERANTES
Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante".
El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of
Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarido con los
números, así como con los nombres de los refrigerantes. En la tabla 12.3, aparecen los
refrigerantes más comunes.
Cabe mencionar que las mezclas zeotrópicas, son refrigerantes transitorios que se desarrollaron
para substituir al R- 22 y al R-502, aunque algunas de estas, van a permanecer como sustitutos
de estos refrigerantes.
CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES
Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el ciclo antes mencionado, debe
poseer ciertas propiedades físicas, químicas y termodinámicas que lo hagan seguro durante su
uso.
Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica.
Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como
refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va
a tener una aplicación útil comercialmente.
No existe un refrigerante ideal ni que pueda ser universalmente adaptable a todas las
aplicaciones. Entonces, un refrigerante se aproximará al ideal, solo en tanto que sus
propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de la aplicación para la que va a ser
utilizado.
Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que los fluidos cumplan con la mayoría de
las siguientes características:
Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la temperatura
ambiente, a presión atmosférica. (Evaporador)
Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser controlable con
facilidad de modo que su capacidad de absorber calor sea controlable también.
Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de vaporización,
mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en circulación.
No inflamable, no explosivo, no tóxico. Químicamente estable: A fin de tolerar años de
repetidos cambios de estado.
Se mencionan las más importantes para la selección del refrigerante adecuado para la
aplicación de que se trate y el equipo disponible. Todos los refrigerantes se identifican
mediante un número reglamentario.
REQUERIMIENTOS DE LOS REFRIGERANTES
Para que un líquido pueda ser utilizado como refrigerante, debe reunir ciertas propiedades,
tanto termodinámicas como físicas. El refrigerante ideal, sería aquél que fuera capaz de
descargar en el condensador todo el calor que absorba del evaporador, la línea de succión y el
compresor. Desafortunadamente, todos los refrigerantes regresan al evaporador arrastrando una
cierta porción de calor, reduciendo la capacidad del refrigerante para absorber calor en el lado
de baja.
Cuando se piensa cuidadosamente en este proceso, vienen a nuestra mente muchas preguntas:
¿Por qué los refrigerantes hierven a baja temperatura? ¿Cuánto calor se absorbe al hervir el
refrigerante? ¿Qué hace realmente el compresor al refrigerante al aumentarle su presión y
temperatura? ¿En cuánto se aumentan? ¿Qué causa realmente que el vapor se condense a una
temperatura más alta? ¿Cómo es rechazado el calor? ¿Cuánto calor es rechazado?, y así
sucesivamente.
Estas son la clase de preguntas a que se enfrenta uno en los trabajos de refrigeración. Si su
trabajo es diseño de componentes y equipos, o mantener un sistema trabajando sin problemas,
lo primero que debe saber es acerca del refrigerante dentro del sistema. Por ejemplo, un sistema
típico tiene muchos indicadores que le dicen la condición exacta del refrigerante en varios
puntos del sistema, y muchos controles que le permiten hacer ajustes cuando surja la necesidad.
Estos dispositivos son necesarios, para mantener las condiciones deseadas del refrigerante al
demandar cambios la carga de enfriamiento. Pero si usted no sabe cómo responde el
refrigerante a los cambios de temperatura y presión, los indicadores y los controles no le serán
de mucha utilidad.
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
1. Presión - Debe operar con presiones positivas. 2. Temperatura - Debe tener una temperatura
crítica por arriba de la temperatura de condensación. Debe tener una temperatura de
congelación por debajo de la temperatura del evaporador. Debe tener una temperatura de
ebullición baja. 3. Volumen - Debe tener un valor bajo de volumen específico en fase vapor, y
un valor alto de volumen en fase líquida. 4. Entalpia - Debe tener un valor alto de calor latente
de vaporización. 5. Densidad 6. Entropia
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
7. No debe ser tóxico ni venenoso. 8. No debe ser explosivo ni inflamable. 9. No debe tener
efecto sobre otros materiales. 10. Fácil de detectar cuando se fuga. 11. Debe ser miscible con el
aceite. 12. No debe reaccionar con la humedad. 13. Debe ser un compuesto estable.
Fácilmente se comprende que ninguno de los refrigerantes conocidos reúne todas estas
cualidades; es decir, no existe un refrigerante ideal, por lo que, en base a un balance de
ventajas, deberá seleccionarse el que reúna el mayor número de estas características de acuerdo
al diseño requerido.
ECONOMÍA
Las propiedades mas importantes del refrigerante que influyen en su capacidad y eficiencia
son:
El calor latente de evaporación
La relación de compresión
El calor específico del refrigerante tanto en estado líquido como de vapor
Excepto para sistemas muy pequeños, es deseable tener un valor alto de calor latente para que
sea mínimo el peso del refrigerante circulando por unidad de capacidad. Cuando se tiene un
valor alto del calor latente y un volumen específico bajo en la condición de vapor, se tendrá un
gran aumento en la capacidad y eficiencia del compresor, lo que disminuye el consumo de
potencia. Y permite el uso de un equipo pequeño y más compacto. En los sistemas pequeños, si
el valor del calor latente del refrigerante es muy alto, la cantidad de refrigerante en circulación
será insuficiente como para tener un control exacto del líquido.
Es mejor tener un calor específico bajo en el líquido y un valor alto en el vapor en tanto que
ambos tiendan a aumentar el efecto refrigerante por unidad de peso, el primero se logra
aumentando el efecto subenfriamiento y el último disminuyendo el efecto de
sobrecalentamiento. Cuando se cumplen estas condiciones en un fluido simple, se logrará
mejorar la eficiencia del cambiador de calor líqudo-succión.
Con relaciones de compresión bajas se tendrá un consumo menor de potencia y alta eficiencia
volumétrica, siendo esto último más importante en sistemas pequeños ya que esto permitirá
usar compresores pequeños.
La presión condensante debe ser razonablemente baja, ya que esto permite usar materiales de
peso ligero en la construcción del equipo para condensación, reduciéndose así el tamaño y el
costo.
Amoníaco
Aunque el amoníaco es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones, sus
excelentes propiedades térmicas lo hacen ser un refrigerante ideal para fábricas de hielo, para
grandes almacenes de enfriamiento, etc., donde se cuenta con los servicios de personal
experimentado y donde su naturaleza tóxica es de poca consecuencia.
El amoníaco es el refrigerante que tiene mas alto efecto refrigerante por unidad de peso. El
punto de ebullición del amoníaco bajo la presión atmosférica estándar es de -2,22°C, las
presiones en el evaporador y el condensador en las condiciones de tonelada estándar es de -
15°C y 30°C son 34,27 libras por pulgada2 y 169,2 libras por pulgada2 abs., respectivamente,
pueden usarse materiales de peso ligero en la construcción del equipo refrigerante. La
temperatura adiabática en la descarga es relativamente alta, siendo de 98,89°C para las
condiciones de tonelada estándar, por lo cuál es adecuado tener enfriamiento en el agua tanto
en el cabezal como en el cilindro del compresor.En la presencia de la humedad el amoníaco se
vuelve corrosivo para los materiales no ferrosos.
El amoníaco no es miscible con el aceite y por lo mismo no se diluye con el aceite del cárter del
cigüeñal del compresor. Deberá usarse un separador de aceite en el tubo de descarga de los
sistemas de amoníaco.
El amoníaco es fácil de conseguir y es el mas barato de los refrigerantes.
Su estabilidad química, afinidad por el agua y no-miscibilidad con el aceite, hacen al amoníaco
refrigerante ideal pare ser usado en sistemas muy grandes donde la toxicidad no es un factor
importante.
Refrigerante 22
Conocido con el nombre de Freón 22 (R-22), se emplea en sistemas de aire acondicionado
domésticos y en sistemas de refrigeración comerciales e industriales incluyendo: cámaras de
conservación e instalaciones para el procesado de alimentos: refrigeración y aire acondicionado
a bordo de diferentes transportes; bombas de calor para calentar aire y agua.
Se pude utilizar en compresores de pistón, centrífugo y de tornillo.
El refrigerante 22 (CHCIF ) tiene un punto de ebullición a la presión atmosférica de 40,8°C.
Se comercializa en cilindros retornables (CME) de 56,7 Kg, cilindros desechables de 22,68 kg,
cilindros desechables de 13,61 kg y cajas de 12 latas de 5,10 kg cada una.
Refrigerante 123
Es un sustituto viable para el freón 11 como refrigerante.
Las propiedades termodinámicas y físicas del refrigerante 123 en conjunto con sus
características de no-inflamabilidad lo convierte en un reemplazo eficiente del Freón 11 en
chillers centrífugos.
El refrigerante 123 fue diseñado para trabajar en equipos nuevos existentes. Cuando se
considere un reacondicionamiento para refrigerante 123 de un equipo existente, debe
considerarse el ciclo de vida útil del equipo, la diferencia de costo de operación y
mantenimiento y el costo de reacondicionamiento.
Los equipos nuevos que han sido diseñados para trabajar con el refrigerante 123 tienen menor
costo de operación comparada con los equipos existentes.
Debido a que tiene un olor tan leve que no se puede detectar por medio del olfato es necesaria
una verificación frecuente de fugas y la instalación de detectores de fugas por áreas cerradas
utilizadas por el personal. Se comercializa en cilindros de 283,5kg, cilindros de 90,72kg y
cilindros de 45,36kg. Su composición en peso es de 100% HFC-123.
Refrigerante 134-a
El refrigerante marca Suva134a, ha sido introducido por DuPont, como reemplazo de los
clorofluorocarbonos (CFC) en muchas aplicaciones. La producción de CFC es reemplazada por
el hidrofluorocarbono HFC-134a.
Este refrigerante no contiene cloro y puede ser usado en muchas aplicaciones que actualmente
usan CFC-12. Sin embargo en algunas ocasiones se requieren cambios en el diseño del equipo
para optimizar el desempeño del Suva 134a en esta aplicaciones.
Las propiedades termodinámicas y físicas del Suva 134a y su baja toxicidad lo convierten en un
reemplazo seguro y muy eficiente del CFC-12 en muchos segmentos de la refrigeración
industrial mas notablemente en el aire acondicionado automotriz, equipos domésticos, equipo
estacionario pequeño, equipo de supermercado de media temperatura y chillers, industriales y
comerciales. El Suva134 ha mostrado que es combustible a presiones tan bajas como 5,5 psig a
177°C cuando se mezclan con aire a concentraciones generalmente mayores al 60% en
volumen de aire.
A bajas temperaturas se requieren mayores presiones para la combustibilidad. No deben ser
mezclados con el aire para pruebas de fuga. En general no se debe permitir que estén presentes
con altas concentraciones de aire arriba de la presión atmosférica. Se omercializan en cilindros
retornables (CME) de 56,7kg, cilindros desechables de 13,61kg, y cajas de 12 latas de 3,408kg
cada una. Temperatura del evaporador -7°C a 7°C. Su composición en peso es de 100% HFC-
134a.
APLICACIONES DE LOS REFRIGERANTES EN LOS CICLO DE COMPRESION
DESCRIPCION APLICACION REFRIGERANTE
EMPLEADO
Unidades domesticas Refrigeración domestica R-600a, R-134a
Muebles y exhibidores
refrigerados
Refrigeración comercial R-134a, R-404A, R-507
Cámaras refrigeradas,
frigoríficos
Procesamiento de alimentos y
almacenamiento
R-134a, R-404a, R-507, R-
717
Procesos químicos, líneas de
produccion de derivados
lácteos, bebidas,
farmacéutica, etc.
Refrigeración industrial R-134a, R-407c, R-410a
Cámaras refrigeradas Transporte refrigerado R-134a, R-404a, R-507
Enfriamiento para
procesadores y componentes
de hardware
Enfriamiento electrónico R-134a, R-404a, R-507
Salones de cirugía, salas
intensivas, medios de
diagnósticos
Refrigeración-medicina R-134a, R-404a, R-507
Bibliografía
Smith van ness, VN, (2000). Chemical termodinamica Handbook. Editorial McGraw
Hill Book Company Inc., 4ª ed. New York,
http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compres%/(2006, Noviembre 23)
http://www.atecos.es (2010,abril 20)
http://www.monografias.com/trabajos-pdf2/ciclos-refrigeracion-compresion/ciclos-
refrigeracion-compresion.pdf (2004/5/13)
Van Refrigeration System Order Email:[email protected]
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