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:sales@thermokingtec.com