Ciclo de compresión mecánica en simple etapa
Cualquier equipo de compresión mecánica se compone de cuatro elementos principales unidos entre sí por medio de líneas frigoríficas.
Estos cuatro elementos son los siguientes: el compresor, el condensador, la válvula de expansión y el evaporador. Estos elementos se pueden ver representados en el diagrama siguiente.
Elementos principales de una instalación frigorífica por compresión de vapor.
En el ciclo frigorífico tenemos los cuatro procesos distintos:
1. Compresión. El compresor comprime el gas elevando su presión desde la presión de baja presión de evaporación hasta la presión de alta. La temperatura del gas también aumenta.
2. Condensación. En el condensador el refrigerante en estado vapor se enfría, se condensa pasando a estado líquido y se sub enfría.
3. Expansión. El refrigerante en estado líquido se expande, bajando su presión desde la alta presión a la baja presión, disminuyendo la temperatura. Una parte del líquido se transforma en vapor.
4. Evaporación. El refrigerante se evapora completamente, absorbiendo el calor del medio a enfriar.
Observamos que si dividimos el ciclo frigorífico representado en la figura siguiente mediante una línea horizontal, tendremos dos zonas en función del estado del refrigerante, en la zona superior alta presión y alta temperatura, y en la zona inferior baja presión y baja temperatura.
Además de estos cuatro elementos principales tenemos que indicar también otros elementos imprescindibles para el buen funcionamiento del equipo:
El cuadro eléctrico, en el que se instalan los elementos de regulación y control,
así como los elementos de protección eléctrica.
Microprocesador o controlador digital para el control del equipo.
Los ventiladores del condensador y del evaporador, si existen.
El filtro deshidratador.
El visor del líquido.
Los termostatos, de seguridad y de regulación.
Los presostatos de seguridad y de regulación
Ciclo de compresión mecánica en simple etapa, procesos.
En el interior de una máquina frigorífica de compresión de simple etapa el refrigerante realiza un ciclo que puede ser representado en el diagrama de Mollier por cuatro líneas, tal como se muestra en la figura siguiente.
Representación del ciclo frigorífico.
Los puntos destacados dentro del ciclo son los siguientes:
A: Mezcla de líquido y vapor, a la entrada del evaporador.
B: Vapor saturado, normalmente en las últimas filas del evaporador.
C: Vapor recalentado, en la aspiración del compresor.
D: Vapor recalentado, en la descarga del compresor.
E: Vapor saturado, en las primeras filas del condensador.
F: Líquido saturado, dentro del condensador, cerca del final del mismo.
G: Líquido subenfriado, a la salida del condensador.
Los procesos que tienen lugar en los elementos de la máquina frigorífica se representan como líneas, que corresponden a:
A → C: Evaporador (ebullición y recalentamiento).
C → D: Compresor (compresión).
D → G: Condensador (desrecalentamiento, condensación y subenfriamiento).
G → A: Dispositivo de expansión.
Estudio de los procesos en el ciclo de compresión simple.
Evaporador:
Los procesos que tienen lugar en el evaporador se representan en el diagrama por la línea A → C, que es una línea horizontal y por tanto de presión constante (isobara). En el Punto A llega al evaporador una mezcla de refrigerante líquido y refrigerante vapor
procedente del dispositivo de expansión. Esta mezcla se encuentra a baja temperatura y a baja presión.
El proceso A → B representa la ebullición del refrigerante líquido; a lo largo de este tramo el líquido se vaporiza, ganando calor latente procedente de la cámara que queramos enfriar. Durante este proceso temperatura y presión permanecen
teóricamente constantes.
Al llegar al Punto B, se acaba el líquido refrigerante y todo el fluido frigorígeno se encuentra en estado vapor. Aunque el vapor está a baja temperatura, su escasa capacidad para absorber calor, (pequeño calor específico) hace que su uso para
enfriamiento de producto ya no sea interesante.
El proceso B → C recibe el nombre de recalentamiento, consiste en ceder algo de calor al vapor refrigerante para alejarlo de la línea de saturación, este calor, habitualmente procede de la cámara o mercancía y se propicia su cesión en las últimas filas del evaporador. El objeto del recalentamiento es el de asegurar que no entra refrigerante líquido al compresor que podría dañarlo, dado que no se comprime.
Al fenómeno de entrada de líquido en el compresor se le conoce como golpe de líquido. Durante el recalentamiento en refrigerante incrementa su temperatura (entre 3 y 8º C), permaneciendo la presión constante. Es necesario tener en cuenta que hay sistemas frigoríficos que trabajan sin recalentamiento.
A continuación los principales parámetros que se pueden obtener a partir del
diagrama:
Producción frigorífica específica: Es el frío producido por un kilogramo de refrigerante, se calcula como la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida del evaporador:
qo = hc-ha
Producción frigorífica; es el frío producido por la máquina frigorífica, se obtiene multiplicando la producción frigorífica específica por el caudal másico de refrigerante.
Q0 = m x qo = m x ( hc – ha )
Donde:
qo: Producción frigorífica específica, en kcal/kg.
hC: Entalpía del Punto C, en kcal/kg.
hA: Entalpía del Punto A, en kcal/kg.
Qo: Producción frigorífica, en kcal/h.
m: Caudal másico de refrigerante, kg/h.
Compresor:
Se representa en el diagrama mediante el segmento C → D. Este proceso tiene lugar, teóricamente, a lo largo de una línea llamada isoentrópica, que considera el comportamiento del compresor como ideal, resultando una buena aproximación.
Durante el proceso de compresión, el refrigerante aumenta su presión y como consecuencia, su temperatura, que puede llegar a ser del orden de 90º C en la descarga del compresor.
A partir del diagrama se puede obtener la potencia teórica del compresor, que posteriormente habría que corregir con los rendimientos de compresor, transmisión y motor.
Trabajo isoentrópico de compresión: Es el trabajo que realiza el compresor para comprimir un kilogramo de refrigerante:
w = hd – hc
Potencia isoentrópica de compresión: Es la potencia consumida por el compresor al comprimir de forma ideal el caudal másico de refrigerante, se calcula como el producto del caudal másico por el trabajo isoentrópico de compresión:
W = m x w = m x ( hd – hc )
Donde:
w: Trabajo isoentrópico de compresión, en kcal/kg.
hd: Entalpía del Punto D, en kcal/kg.
hc: Entalpía del Punto C, en kcal/kg.
W: Potencia isoentrópica de compresión, en kcal/h.
m: Caudal másico de refrigerante, kg/h.
Condensador:
Los procesos que tienen lugar en el condensador se representan en el diagrama por la línea D → G, y ocurren a lo largo de una línea de presión constante (isobara).
En el Punto D se recibe el refrigerante del compresor como vapor recalentado, a alta presión y alta temperatura.
En el primer tramo del condensador (D → E), el vapor se des-recalienta, cediendo calor sensible al medio condensante, perdiendo temperatura, pero permaneciendo en estado vapor.
En el Punto E, se alcanza la temperatura de rocío del refrigerante a la presión de condensación. A partir de ese instante el vapor refrigerante cede calor latente al medio condensante, condensándose (E → F) y volviéndose líquido. A medida que avanzamos en el condensador aumenta la proporción de líquido y disminuye la de vapor. Es importante hacer notar que durante la condensación de fluidos puros, la temperatura permanece constante.
En el Punto F termina el proceso de condensación, porque todo el refrigerante ha pasado a líquido. Ocurre que, a estas alturas el líquido refrigerante todavía está más caliente que el medio condensante, por lo que todavía se puede enfriar un poco más.
Al proceso F → G se le llama subenfriamiento, a lo largo de él, el refrigerante pierde temperatura (entre 5 y 10º C) cediendo calor sensible al medio condensante. El subenfriamiento es positivo, al mejorar la producción frigorífica específica y aumentar
la proporción de líquido a la salida del dispositivo de expansión………………continuara