Ciclos de compresión múltiple ( parte VI )

A partir del diagrama se puede obtener el calor específico de condensación y la potencia necesaria en el condensador:
Calor específico de condensación: Es el calor que es necesario extraer para des-recalentar, condensar y subenfriar un kilogramo de refrigerante.

qc = hd – hg

Este calor específico es suma de calor sensible (el cedido durante el desrecalentamiento y el subenfriamiento) y calor latente (cedido durante la condensación propiamente dicha):
Calor sensible de condensación
Calor latente de condensación
Potencia necesaria en el condensador: Es la potencia a absorber por el medio condensante:

Donde:
qC: Calor específico de condensación, en kcal/kg.
h: Entalpía del punto correspondiente, en kcal/kg.
QC: Potencia necesaria en el condensador, en kcal/h.
m: Caudal másico de refrigerante, kg/h.
Dispositivo de expansión:
En el dispositivo de expansión el refrigerante pasa desde la presión del condensador hasta la presión del evaporador, a través de un proceso llamado laminación isoentálpica, representado en el diagrama de Mollier como un segmento de recta
vertical, desde el punto G hasta el Punto A.

La laminación isoentálpica consiste en hacer pasar el refrigerante a través de un “accidente” que provoque pérdida de presión, como el orificio estrecho de una válvula o un tubo largo y de muy pequeño diámetro como el tubo capilar. Durante este
proceso la entalpía del fluido permanece constante, y la presión y temperatura del fluido disminuyen, como consecuencia de la formación de una pequeña fracción de vapor refrigerante.

Ciclos de compresión múltiple
En el ciclo de compresión simple, la compresión y la expansión se producen en un solo salto, (máquinas domésticas y un gran número de equipos de carácter industrial); en estas máquinas las presiones y temperaturas (de condensación y evaporación) no
difieren excesivamente.
Cuando la diferencia de presiones entre la aspiración y escape (salida) del compresor es muy grande, o lo que es lo mismo, la diferencia entre la temperatura del cambio de estado en el condensador y la reinante en el evaporador, se producen los siguientes
fenómenos:
 Un aumento importante en la temperatura de escape del compresor puede originar la posible descomposición del aceite lubricante con el consiguiente acortamiento de la vida media de la máquina.
 Un aumento de la relación de compresión implica que el rendimiento volumétrico propio del compresor simple disminuye, lo que da origen a una disminución de la capacidad frigorífica al bombear menor cantidad de fluido frigorígeno.
 A medida que nos adentramos en la zona de vapor recalentado se produce una inclinación cada vez mayor de las líneas de entropía constante, hecho que se origina al aumentar la relación de compresión, lo que implica un incremento de
la potencia requerida por el compresor.
Por todo esto, a partir de ciertos límites puede resultar más económico utilizar un ciclo de compresión múltiple, distinguiendo dos grandes tipos de instalaciones, La compresión múltiple directa y la compresión múltiple indirecta o en cascada.
En las instalaciones de compresión múltiple directa, el fluido frigorígeno se comprime dos o más veces, sucesivamente, existiendo un enfriamiento del vapor recalentado después de cada compresión.

Lo más normal es la compresión doble directa; sistemas de compresión de más etapas son posibles, si bien menos frecuentes en la industria.
Los ciclos de compresión múltiple se utilizan cuando las temperaturas de enfriamiento son muy bajas, esto hace necesario un salto de presiones demasiado grande como para hacer la compresión en una etapa, lo cual implicaría un elevado
sobrecalentamiento del refrigerante y mucha potencia gastada por el compresor

Compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio por intercambiador.
En este ejemplo el enfriador I puede operar con agua fría o con el propio refrigerante sin mezclarse.

Compresor en dos etapas con enfriador separador abierto con inyección total (booster open flash).
En este caso en el recipiente I se mezcla la totalidad del líquido refrigerante que alimenta el evaporador. En este recipiente se enfría el vapor entre compresor de baja y de alta, y también se enfría el fluido que va para el evaporador.

Ciclo de refrigeración en doble etapa:

En el ciclo de refrigeración de doble etapa se requiere la presencia en la instalación dos compresores que marquen y hagan efectiva la función de la doble etapa. Este sistema tiene la ventaja de disminuir el sobrecalentamiento del refrigerante que se esta utilizando dentro del sistema de enfriamiento. Al reducir este fenómeno en el proceso de descarga del compresor, la temperatura que gano el fluido refrigerante en el proceso adiabático de compresión será menor, optimizando así en plenitud el proceso frigorífico.

Para la construcción de la instalación de refrigeración de doble etapa se requieren otros componentes en el cual son propios de este sistema. Uno de ellos es un estanque en el cual conecta la succión y la descarga de ambos compresores de tal forma que se mantenga el circuito cerrado de circulación de refrigerante. De ese modo, el compresor proveniente desde la línea de succión del evaporador del sistema descarga el fluido de refrigerante saturado hacia el estanque de tal modo que el otro compresor del sistema descarga el líquido a alta presión dentro del estanque. Al producirse esta combinación de diferentes presiones dentro de este estanque se produce una mejora en el coeficiente de compresión en el sistema ya que los volúmenes que son succionados desde el estanque hacia el compresor son mucho mayores y así generando mucho mas valores masicos de refrigerante en camino hacia el condensador.

Ciclos de compresión en cascada. 
En ciertas aplicaciones son necesarias temperaturas de trabajo extremadamente bajas, por debajo de – 30° C por lo que la relación de presiones para una sola etapa de compresión tiene que ser muy elevada; si se elige un fluido frigorígeno cuyos valores
de la presión en el evaporador sean moderados, resulta que las presiones en el condensador son muy elevadas y viceversa.
A bajas temperaturas, las presiones correspondientes son muy bajas, (inferiores a la presión atmosférica), por lo que en las zonas de producción de frío existe una fuerte tendencia a la entrada de aire húmedo a los evaporadores, lo que implica un
porcentaje de humedad que puede solidificar dando lugar a trastornos en el funcionamiento. Además, cuanto menor sea la temperatura, el volumen específico del vapor a la entrada del compresor será mayor, por lo que para una misma masa de
fluido frigorígeno a desplazar, a menor temperatura requerida mayor deberá ser el volumen disponible del compresor.

CICLO EN CASCADA

Existe discusión acerca de los métodos para obtener temperaturas extremadamente bajas (criogénicas) Mediante una combinación de compresión de vapor y estrangulamiento. Esos métodos son valiosos e indispensables para la licuefacción y solidificación de los gases. No obstante, existen aplicaciones industriales que exigen temperaturas solo moderadamente bajas, por lo que se necesitan sistemas menos complicados.

Esto es especialmente cierto cuando se desean temperaturas en el intervalo de -25 a -75 ºC (-10 a -100 ºF). En general, por desgracia no es posible usar un solo ciclo de compresión de vapor par obtener estas temperaturas moderadamente bajas. La diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es en este caso muy grande. En consecuencia, la variación de la temperatura de saturación con respecto a la presión de vapor de un solo refrigerante no cumpliría con los valores deseados par el evaporador y el condensador.

Para superar esta dificultad sin abandonar la compresión de vapor, emplea un sistema en cascada. Un ciclo en cascada es simplemente una disposición en serie de ciclos simples de compresión de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura baja entregue calor al evaporador de un ciclo a temperatura superior.

Aun cuando ahí se muestran solo dos unidades, el empleo de tres o cuatro unidades en serie es practico, en caso necesario. Normalmente se utiliza un refrigerante distinto en cada uno de los ciclos, con el objeto de satisfacer los requisitos de cada intervalo de temperatura y presión. Al elegir los dos refrigerantes, por ejemplo, es importante que la temperatura del estado triple del fluido en el ciclo B sea menor que la temperatura crítica del fluido en el ciclo A.. Esquema del equipo y diagrama Ts para un ciclo de refrigeración en cascada. En las instalaciones se muestra el diagrama Ts de un sistema ideal en cascada doble que emplea el mismo refrigerante en cada ciclo. (Si se utilizan dos refrigerantes distintos en un sistema en cascada, deben utilizarse también dos diagramas Ts diferentes).

A pesar de no ser la práctica común, como se hizo ya la observación, el empleo del mismo refrigerante en cada ciclo permite examinar las virtudes de un sistema en cascada. Las posiciones de los ciclos A (1-2-3-4) y B (5-6-7-8) se indican con claridad en la figura. En general los gastos másicos de los refrigerantes en los dos ciclos no son los mismos, sean los refrigerantes iguales o distintos. El gasto másico mA esta determinado por las toneladas de refrigeración requeridas en el refrigerador del ciclo A.

Además la rapidez de transferencia de calor desde el condensador del ciclo A debe ser igual a la rapidez de transferencia de calor del fluido en el evaporador del ciclo B, si el intercambiador de calor de todo el conjunto está bien aislado. Un balance de energía para el intercambiador de calor que liga el condensador con el evaporador revela que por tanto, el cociente de los gastos másicos en cada ciclo está determinado por los cambios de entalpía de cada fluido a su paso por el intercambiador de calor.

Si el fluido tiene unas características adecuadas para el evaporador y resulta que las condiciones del condensador están cerca del punto crítico, cuando el fluido se  expansione, el título al final de la expansión será muy grande, lo que disminuye el
COP de la instalación, al tiempo que exige potencias en el compresor relativamente altas, de forma que hay que recurrir a compresiones escalonadas para paliar el problema. Por eso, para la producción de frío a bajas temperaturas, se han
desarrollado sistemas de compresión indirecta, en los que se utilizan fluidos frigorígenos especiales, que solventan las dificultades citadas y que por otro lado no son adecuados para trabajar en la zona de condensación normal, ya que por un lado dan lugar a altas presiones, con el consiguiente problema de posibles fugas al exterior y por otro presentan el inconveniente de poseer bajas temperaturas críticas.

Método de funcionamiento de ciclo

En Resumen. El ciclo de refrigeración en cascada hace referencia a que si se disminuye la temperatura de condensación a una presión determinada, mas adelante en el dispositivo de expansión se generara una caída de presión al igual que su temperatura. Usando este principio, el ciclo de refrigeración en cascada usa un sistema frigorífico aparte para absorber el calor del condensador que ha sido ganado el proceso de evaporación y en la compresión del vapor refrigerante en su paso por el compresor.

Mediante ese sistema, el calor presente en el condensador es absorbido por el evaporador de segundo sistema de refrigeración presente. Una solución fácil y practica de cómo realizar este proceso es utilizando un intercambiador de calor especialmente formulado para las capacidades frigoríficas respectivas a los sistemas de enfriamiento involucrados. este método es mucho mas optimo que la extracción de calor por procesos convectivos, ya que el entorno de absorción en el dispositivo condensativo es de menor temperatura que el aire que circula mediante el.