1

E. TORRELLA

PRODUCCION DE FRIO

MÁQUINAS DE COMPRESIÓNSISTEMAS MULTIETAPA

Compresión múltiple. Alcance

– Aplicaciones con fuertes diferencias detemperatura entre condensación y evaporación(tasas elevadas de compresión):

• Refrigeración a baja temperatura.• Bombas de calor alta temperatura

E. TORRELLA Pag. 2

• Bombas de calor alta temperatura.

Compresión múltiple. Causas de implantación

– Disminución de rendimientos volumétricos(Compresores alternativos), debido al aumentoen la tasa de compresión.

– Aumento del título en vapor en entrada deevaporador

E. TORRELLA Pag. 3

evaporador.– Aumento en temperaturas de descarga de

compresión.

Compresión múltiple. Tipos

– Directa.– Indirecta (cascadas).– La diferencia fundamental radica en la utilización

de un único fluido (directa) o mas de uno

E. TORRELLA Pag. 4

(indirecta).

2

E. TORRELLA

COMPRESIÓN MULTIPLE DIRECTA

DOBLE ETAPA

Inicios

• En 1885, un australiano W.G.Lock patenta el primercompresor compound.

• En 1889 la firma Sulzer fabricóel primer compresor de dobleetapa con amoníaco comofluido de trabajo En la figura un

E. TORRELLA Pag. 6

fluido de trabajo. En la figura uncompresor horizontal deamoníaco “compound” de dosetapas (1889-1900) de Carl vonLinde.

• En 1889 J. & E. Hall construyeel primer compresor de dobleetapa para CO2.

• Un segundo compresor dedoble etapa fué construido porla empresa York en 1892.

Compresión doble directa. Disposiciones.

– “Booster” .- Dos equiposde compresiónindependientes, en serie.

Compresorde alta

E. TORRELLA Pag. 7

– “Compound” .- Un únicocompresor realiza lasdos etapas decompresión.

Compresorde baja

Subdivisión del proceso Introducción de una presión intermedia.

p

pK

23

E. TORRELLA Pag. 8

h

po

pi

14

DESCENSO EN TASAS DE COMPRESIÓN PARCIALES

A

3

Desrecalentamiento entre etapasp

pK

22'3

E. TORRELLA Pag. 9

h

po

pi

14

AB

T2

T2'

DESCENSO EN LA TEMPERATURA DE DESCARGA

Desrecalentamiento. Métodos

– Con agente externo.– Inyección directa.– Expansión múltiple.– Intercambiador intermedio:

E. TORRELLA Pag. 10

• Inyección total• Inyección parcial

Agente externo. Esquemap

po

pi

pK

1

22'3

4

AB

T2

T2'

E. TORRELLA Pag. 11

1 A

C.B.

B 2’

C.A.

AGENTE EXTERNO

El fluido utilizado normalmente es el de condensación.

h

o 14

Agente externo. Limitación térmica

p

pK

A

2’

E. TORRELLA Pag. 12

h

po

pi

1

AB

Temp. límite

La temperatura límite la condiciona la temperaturadel agente externo (fluido de condensación)

4

Agente externo. Inconvenientes

– Desrecalentamientos limitados por la temperaturadel agente externo.

– Intercambiador de gran superficie, sobre todo enel caso de uso del aire, al transferir potenciatérmica entre dos “gases” ambos malos

E. TORRELLA Pag. 13

térmica entre dos “gases”, ambos malosconductores del calor.

Inyección directa. Concepto básico

– A la vista de los inconvenientes derivados del usode un agente externo, suele adoptarse, eninstalaciones de media potencia, la disposicióndenominada de inyección directa, en la cual:

• La fuente fría de desrecalentamiento es la propia

E. TORRELLA Pag. 14

• La fuente fría de desrecalentamiento es la propiainstalación.

• La anterior característica trae como consecuencia unamerma en la potencia frigorífica, al ser esta, en parte,utilizada en el enfriamiento de los vapores de descargadel compresor de baja.

Inyección directa. Esquema

C.B. C.A.

1 2 3 4

6

1 + m

1

E. TORRELLA Pag. 15

El desrecalentamiento se consigue por medio de la propia instalación.

F1

V1

V2

57

Evap. Cond.m

Inyección directa. Ciclo

p

p 45

F1

C.B. C.A.

V1

V2

1 2 3 4

5

6

7

Evap. Cm

1 + m

1

E. TORRELLA Pag. 16

h

po

pi

pK

1

236

7

5

Inyección directa. Caudales

F1

C.B. C.A.

V1

V2

1 2 3 4

5

6

7

m

1 + m

1

E. TORRELLA Pag. 17

– Desigualdad de caudales circulantes por etapas decompresión. Balance en la mezcla a presión intermedia:

– Caudal másico por expansor auxiliar.

– Caudal másico por condensador y compresor de alta.

352 )1(1 hmhmh +=+

)/()( 5332 hhhhm −−=

)/()(1 5352 hhhhm −−=+

Inyección directa. Caudales

– La diferencia de caudal másico puede ser compensada en

F1

C.B. C.A.

V1

V2

1 2 3 4

5

6

7

m

1 + m

1

E. TORRELLA Pag. 18

La diferencia de caudal másico puede ser compensada encaudales volumétricos, por el volumen específicoconseguido con el desrecalentamiento.

– El sistema resulta beneficioso si la producción volumétricaes menor que sin desrecalentamiento.

25352323 )/()()1( vhhhhvvvm <−−→<+

32353252 ;/)(/)( vv qqvhhvhh <−<−

Inyección directa. Vista

E. TORRELLA Pag. 19

– La inyección inter-etapas se realiza en contracorriente a laentrada de vapores procedentes de la etapa de baja

F1

C.B. C.A.

V1

V2

1 2 3 4

5

6

7

m

1 + m

1

Inyección directa con intercambiador

Con

d.

A.P.

Evap

.

B.P.1 2 3 4

67

E. TORRELLA Pag. 20

589

p

h

1

23

45

6 7

8

9

El intercambiador provoca un subenfriamiento de liquido previo a la inyección a presión intermedia

6

Inyección directa con intercambiador

Con

d.

A.P.

Evap

.

B.P.1 2 3 4

67

E. TORRELLA Pag. 21

( )iKiK

KK

TTT

TTTTTEfi

−Δ

=−

Δ−−=

589

TK

TK

Ti

Ti

TK-ΔT

5

6

7

8

Inyección directa con intercambiador

E. TORRELLA Pag. 22

Inyección directa con intercambiador

E. TORRELLA Pag. 23

Expansión múltiple. Concepto básico

– Una segunda posibilidad de desrecalentamientomediante la instalación es la expansión múltiple,en la que:

• La fuente fría de desrecalentamiento es una corriente devapores a presión intermedia

E. TORRELLA Pag. 24

vapores a presión intermedia.• La anterior característica elimina la merma en potencia

frigorífica, puesto que el vapor no produce potencia yademás se da un ahorro en potencia consumida por elcompresor de baja.

• El inconveniente es la falta de control en el proceso deenfriamiento entre etapas.

7

Expansión múltiple. Esquema

C.B. C.A.

1

1

2 3 4

7

1 + m

mC d

E. TORRELLA Pag. 25

El desrecalentamiento se consigue por medio de la propia instalación.

Evap.

5

6

5'

8

Cond.

Expansión múltiple. Ciclo

C.B. C.A.

1

1

2 3 4

7

Evap.

1 + m

55'

mCond.

p

E. TORRELLA Pag. 26

5

65’

7 32

4

8 1

68

h

Expansión múltiple.Comp. centrífugo (A.A.)

CondensadorCondensador

E. TORRELLA Pag. 27

FlotadorAlta P. Flotador

Baja P.Evaporador

Compresor centrifugodoble rodete

FlotadorAlta P. Flotador

Baja P.Evaporador

Compresor centrifugodoble rodete

Expansión múltiple. Compresores de tornillo

E. TORRELLA Pag. 28

8

Expansión múltipleCaudales

C.B. C.A.

1

1

2 3 4

7

Evap.

1 + m

5

6

5'

8

mCond.

E. TORRELLA Pag. 29

Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión.Balance en el separador a presión intermedia:

Caudal másico de vapor de salida del separador

= 1 h6 + m h7(1 + m) h5

m =h5 - h6h7 - h5

Expansión múltiple. Eficiencia del sistema

La potencia por unidad de masa condensada disminuye con la expansión

C.B. C.A.

1

1

2 3 4

7

Evap.

1 + m

5

6

5'

8

mCond.

E. TORRELLA Pag. 30

p p y pescalonada, ya que parte del vapor sólo se comprime desde la presiónintermedia. Si la potencia frigorífica, por unidad de masa condensada, nodesciende, el efecto global será positivo. Producciones específicas sin y conexpansión escalonada

qo = h1 - h5" = h1 - h5

q'o =h1 - h61 +m =

h1 - h6

1 +h5 - h6h7 - h5

=(h1 - h6) (h7 - h5)

h7 - h6

Si la entalpía del estado “7” supera la del “1”, la potencia, con expansiónescalonada, supera al sistema sin esta disposición.

Expansión múltipleResumen

– Ventajas

C.B. C.A.

1

1

2 3 4

7

Evap.

1 + m

55'

mCond.

E. TORRELLA Pag. 31

Ventajas• Parte del vapor no se expande hasta la mas baja presión, por

lo que disminuye la potencia de compresión.• Los vapores anteriores no interfieren, en cuanto a la

transmisión térmica, en el evaporador.– Inconvenientes

• Desrecalentamiento limitado entre etapas, lo que hace alsistema sólo apto con fluidos cuyo aumento de temperatura,en la compresión, sea moderado.

68

Máquinas con intercambiador intermedio. Conceptos básicos

– En grandes instalaciones se utilizanconfiguraciones dotadas de recipientesintermedios a la presión intermedia, estos tienenla función, no solo de provocar el enfriamiento delos vapores de baja sino la obtención de títulos

E. TORRELLA Pag. 32

los vapores de baja, sino la obtención de títuloselevados en entrada a evaporador, son:

• De tipo abierto; o inyección total.• De tipo cerrado; o de inyección parcial.

9

Intercambiador abierto. Inyección totalEsquema

C.B. C.A.

1

1

2 3 41 + m

C d

E. TORRELLA Pag. 33

Desrecalentamiento y expansión escalonada.

Evap.

5

Cond.

678V1V2

Inyección total Ciclo de la instalación

C.B. C.A.

11

2 3 4

Evap.

1 + m

5

Cond.

678

V1V2

5

p

E. TORRELLA Pag. 34

45

23

1

67

8h

Recipiente a media presiónVista externa

1 + m

E. TORRELLA Pag. 35

C.B. C.A.

11

2 3 4

Evap.

5

Cond.

678

V1V2

Inyección total Análisis de caudales

Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión

C.B. C.A.

11

2 3 4

Evap.

1 + m

5

Cond.

678

V1V2

E. TORRELLA Pag. 36

Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión.Balance en el separador a presión intermedia:

1 h2 + (1 + m) h5 = 1 h7 + (1 + m) h3Caudal másico por condensador

1 + m =h2 - h7

h3 - h5

10

Intercambiador cerradoInyección parcial. Esquema

1 4

32

C.B. C.A.

ador

ador

E. TORRELLA Pag. 37

Desrecalentamiento y expansión escalonada.

7

6

5

8

Eva

pora

Con

dens

a

Intercambiador cerrado Inyección parcial. Ciclo

p

1

6

5

4

32

8

C.B. C.A.

Eva

pora

dor

Con

dens

ador

E. TORRELLA Pag. 38

p

h

5

236

7

8

4

1

78

Inyección parcial. Vista

E. TORRELLA Pag. 39

De compresorB.P.

Intercambiador intermedio tipo cerrado

E. TORRELLA Pag. 40

A compresorA.P.

Drenaje aceite

Indi

cado

r niv

el

No figuran las conexiones desde condensador

11

Intercambiador intermedioDiscusión

– La utilización de las máquinas conintercambiador tipo cerrado se debe a que apesar de ser menos eficiente desde un punto devista energético, la instalación trabaja con unexpansor principal que actúa entre las presiones

E. TORRELLA Pag. 41

expansor principal que actúa entre las presionesextremas (condensación y evaporación), lo quegarantiza una mejor alimentación al evaporador,al ser este expansor de comportamiento masestable que los de la instalación conintercambiador abierto en la que los expansorestrabajan con tasas inferiores a la total.

Inyecciónde liquido

Expansión escalonada(Iny. liquido optativa)

Condensador

Comp. A.P.

Método de

Intercambiadorsuperficial

Inyeccióntotal

Inyecciónparcial

Evaporador

Comp.B.P.

desrecalentamiento

Elección de la presión intermedia. Métodos

– Igualdad de relaciones de compresión.– Igualdad de temperaturas de descarga.– Potencia mínima.– Necesidad de una temperatura intermedia.

E. TORRELLA Pag. 43

– Impuesta en compresores “compound”.

Elección de la presión intermedia. Igualdad tasas.

pi

po=

pK

pipi = po.pK

La relación entre entre temperaturas de entrada “e” y salida “s” a compresores será:

E. TORRELLA Pag. 44

y salida s a compresores, será:

TsA

TeA= [

pK

pi]

n-1n = [

pi

po]

n-1n =

TsB

TeB

con lo que

TeA > TeB TsA > TsB;

12

Igualdad de temperaturas de descarga.

En base a las consideraciones hechas con igualdad de tasas de compresión:

p p

E. TORRELLA Pag. 45

con lo que la etapa de compresión de baja trabaja con un menor salto.

pK

pi

<pi

po

Mínima potencia consumida.

Obtención del mínimo de la suma de:

mcB (h2s - h1) mcB (h2 - h1)

E. TORRELLA Pag. 46

PcB = cB ( 2s 1)

RiB RmB= cB ( 2 1)

RmB

PcA =mcA (h4s - h3)

RiA RmA=

mcA (h4 - h3)

RmA

Mínima potencia consumida.

• Formulas aproximadas:– Behringer (amoníaco); temperatura intermedia a

la presión calculada como media geométricaTopt = Ti + 5°C

E. TORRELLA Pag. 47

– Czaplinsky

– Sandholt

opt i

Topt

= To.T

K

pi

= po

. pK

+ 0 . 35 [ Kg / cm 2]

Representación.

R-22; TK = 30ºC; T0 = -30ºCG.S. = 5ºC; G.R. = 5ºC INT. ABIERTO

COP2,75

2,85

E. TORRELLA Pag. 48

EXP. ESCALONADA

INY. LIQUIDO

TEMP. INTERMEDIA [ºC]-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

2,35

2,45

2,55

2,65

13

E. TORRELLA

EJEMPLO INSTALACIONTIPO “BOOSTER”

INSTALACION

• Comp. alternativos A.P.• A.C.S. (desrecalent.)• Condens. Aire• Salas de proceso

climatizadas, con evap.secos

E. TORRELLA Pag. 50

secos.• Intercambiador intermedio

tipo cerrado.• Recipiente liquido B.P.• Generador-hielo

(preenfriamiento)• Túneles de enfriamiento y

cámaras dealmacenamiento.

• Comp. tornillo B.P.

DANFOSS KG.00.B1.02

COMPRESION EN ALTA

• Presostato de alta endescarga

• Presostato de baja ensucción

E. TORRELLA Pag. 51

• Presostato diferencialde aceite

• Regulador decapacidad

INTERCAMBIADOR A.C.S.

• Aprovechamientoentálpico de losvapores recalentados,previo a sucondensación

E. TORRELLA Pag. 52

condensación.

14

PUESTO DE CONDENSACION

• Válvulas solenoides decontrol.

• Válvulas antiretorno.• Control de la presión de

condensación, en caso de

E. TORRELLA Pag. 53

baja carga o aire decondensación a bajatemperatura, deriva desde elintercambiador de A.C.S.hacia el recipiente de altapresión.

• Recipiente de alta presión,con válvula de flotador dealta.

VALVULA FLOTADOR A.P.

• Pilota el suministro defluido al recipiente debaja presión.– 9.- Obturador

5 Conexión a recipiente

E. TORRELLA Pag. 54

– 5.- Conexión a recipienteB.P.

– 3, 4. Conexionessuperior e inferior adepósito A.P.

ZONA INTERMEDIA

• Evaporadores altatemperatura.

• Intercambiador tipocerrado.

E. TORRELLA Pag. 55

• Recipiente liquido bajapresión.

• Generador de hielo.• Compresor de tornillo

de baja presión.

EVAPORADORES ALTA TEMP.

E. TORRELLA Pag. 56

15

RECIPIENTE DE LIQUIDO B.P.

E. TORRELLA Pag. 57

EVAPORADORES DE B.T.

E. TORRELLA Pag. 58

GENERADOR DE HIELOTERMOSTATICA DE NIVEL

E. TORRELLA Pag. 59

COMPRESOR DE TORNILLO

E. TORRELLA Pag. 60

16

INTERCAMBIADOR TIPO CERRADO

E. TORRELLA Pag. 61