Principios de refrigeración de cámaras frigoríficas: guía completa

Es un hecho que el calor solo puede transferirse de objetos de alta temperatura a objetos de baja temperatura, pero no al revés, de la misma manera que el agua solo fluye de alta a baja temperatura, pero no en la dirección inversa.

En una instalación de almacenamiento en frío , los productos como los alimentos se enfrían, congelan y refrigeran en un entorno con baja temperatura mientras liberan calor constantemente. Para mantener la baja temperatura , se requiere una transferencia continua de calor desde el interior del almacén o cámara frigorífica al entorno externo, un proceso que requiere refrigeración mecánica artificial.

El objetivo de la refrigeración se cumple cuando un dispositivo de refrigeración por compresión de vapor aprovecha los cambios en el estado de la sustancia, es decir, transfiere calor del artículo o producto que se está enfriando al objeto de alta temperatura realizando una cantidad de trabajo externo.

 

 

I. Ciclo de refrigeración por compresión de una sola etapa

 

Principio del sistema de refrigeración por ciclo de compresión de una sola etapa

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor está compuesto por compresores y equipos de refrigeración que están interconectados por varias tuberías . En el sistema, el refrigerante se recicla continuamente para garantizar que el proceso de refrigeración no se interrumpa.

La figura 2 ilustra el concepto operativo de un sistema de refrigeración de una sola etapa. El sistema está compuesto por un compresor de refrigeración , un condensador , una válvula de expansión y un evaporador que están conectados por tuberías que dan lugar a un sistema de refrigeración cerrado.

Como se indica en la Figura 2, el compresor comprimirá el refrigerante en forma de gas para transformar el gas de baja presión en un gas de alta temperatura y alta presión. Luego, el condensador enfriará y condensará el gas de alta presión y temperatura del compresor para liberar calor y, al mismo tiempo, cambiar el estado del gas a líquido.

Luego, la válvula de mariposa descomprimirá el líquido de alta presión y temperatura para expandirlo y convertirlo en un refrigerante de baja presión y temperatura todavía en forma líquida.

La tarea del evaporador es absorber el calor del entorno y luego vaporizar el líquido de baja presión y temperatura de la válvula de mariposa para convertirlo en gas y reducir la temperatura del entorno.

Básicamente, un sistema de refrigeración se compone de cuatro componentes esenciales: el compresor de refrigeración, el condensador, la válvula de mariposa y el evaporador. Para mejorar la eficiencia y la eficacia de la operación de refrigeración, también se añaden diversos equipos, como separadores de aceite, intercoolers, receptores de líquido y receptores de líquido auxiliares, receptores de líquido de circulación de baja presión, separadores de líquido de amoníaco y válvulas de control, por nombrar algunos.

Estos componentes adicionales ayudan al funcionamiento, ya que garantizan que el proceso de refrigeración sea continuo y eficaz, al tiempo que mejoran la fiabilidad del sistema. Los sistemas que funcionan a -15 ℃, como los de refrigeración de alimentos, producción de hielo, almacenamiento de hielo y almacenamiento en frío de frutas y verduras, suelen utilizar el ciclo de refrigeración por compresión de una sola etapa.

 

 

II. Diversas formas básicas del ciclo de refrigeración por compresión de una sola etapa

El ciclo de refrigeración por compresión de una sola etapa es el más básico de todos los sistemas de refrigeración. Por eso sirve como base y fundamento de otros ciclos de refrigeración. Tiene diferentes formas de ciclo según las condiciones previas a la entrada del refrigerante en el compresor y la válvula de mariposa.

Ciclo de refrigeración por compresión saturada

Un ciclo de refrigeración por compresión saturada es un ciclo en el que el refrigerante ingresa al cilindro del compresor en forma de vapor saturado seco y luego pasa a la válvula de mariposa como líquido saturado.

La Figura 3 ilustra el ciclo de refrigeración por compresión saturada, así como la evaporación y vaporización isotérmica e isobárica del líquido dentro del evaporador.

• 1-2 indica el proceso de compresión adiabática isentrópica dentro del compresor para el refrigerante.
• 2-3-4 indica el proceso de compresión adiabática isótropa en el condensador, que implica enfriamiento por presión y liberación de calor a través de condensación.
• 4-5 indica la expansión de estrangulamiento adiabática sufrida por el refrigerante en la válvula de mariposa.
• Por último, 5-1 indica el proceso de vaporización y refrigeración del refrigerante dentro del evaporador.

 

Ciclo de refrigeración por compresión de vapor sobrecalentado

 

La figura 4 ilustra un ciclo de refrigeración por compresión de vapor sobrecalentado. Este término indica un ciclo en el que un gas aspirado por un compresor se encuentra en estado de vapor sobrecalentado.

La figura 4 ilustra que en el ciclo de refrigeración por compresión, la temperatura de succión del compresor cambia del punto 1 al punto 1′, moviéndose desde la línea de vapor saturado a la región de vapor sobrecalentado, lo que indica la succión de gas sobrecalentado por el compresor.

Si bien el uso de un ciclo de refrigeración por compresión sobrecalentada tiene desventajas para los sistemas de refrigeración con amoníaco, evita que el amoníaco líquido en la zona de vapor húmedo ingrese al compresor y provoque incidentes de choque de líquido. En consecuencia, durante el funcionamiento real del sistema de refrigeración, los compresores a menudo emplean distintos grados de compresión sobrecalentada.

El sobrecalentamiento excesivo también tiene sus desventajas. Puede degradar el compresor y disminuir su coeficiente de refrigeración, por lo que el sobrecalentamiento excesivo debe ser evitado especialmente por los operadores del sistema.

 

Ciclo de refrigeración por compresión con subenfriamiento de líquido

 

 

 

 

 

Un ciclo de compresión de refrigeración que reduce la temperatura del líquido dentro del sistema de refrigeración por debajo de su temperatura de saturación se denomina ciclo de refrigeración por compresión de subenfriamiento de líquido, ilustrado en la Figura 5.

En la Figura 5 se ilustra un ciclo de refrigeración por compresión con subenfriamiento de líquido. Se trata de un ciclo de refrigeración por compresión que reduce la temperatura del líquido dentro del sistema por debajo de su temperatura de saturación.

La figura 5 describe la mayor capacidad de enfriamiento del compresor como Δq ₀ , manteniendo constantes el volumen específico del vapor de succión del compresor y el consumo de energía W ₁ . El ciclo de compresión de subenfriamiento del líquido refrigerante mejora el coeficiente de refrigeración, pero no se utilizan comúnmente.

 

Ciclo de refrigeración por compresión de sobrecalentamiento de gas y subenfriamiento de líquido

Cuando el gas de succión del compresor se sobrecalienta y el líquido se subenfría, se denomina ciclo de refrigeración por compresión con sobrecalentamiento del gas y subenfriamiento del líquido, como se ilustra en la Figura 6.

El subenfriamiento del líquido conduce a un aumento de la capacidad de enfriamiento Δq0 mientras que el ciclo de compresión del sobrecalentamiento del gas también aumenta la capacidad de enfriamiento Δq0, también, al mismo tiempo, eleva el trabajo consumido ΔW _L , por lo tanto, no se garantiza un aumento en el coeficiente de enfriamiento. El ciclo de sobrecalentamiento del gas y subenfriamiento del líquido es más ventajoso para los sistemas de refrigeración de freón.

Los intercambiadores de calor se integran comúnmente en los sistemas de refrigeración de freón para convertir el sobrecalentamiento del gas en subenfriamiento del líquido, aumentando la capacidad de enfriamiento pero, en los sistemas de amoníaco, el sobrecalentamiento excesivo puede deteriorar las condiciones operativas del compresor de refrigeración y disminuir el coeficiente de refrigeración, por lo tanto, controlar el sobrecalentamiento del gas se vuelve crucial.

 

Ciclo de refrigeración por compresión húmeda

La figura 7 ilustra un ciclo de refrigeración por compresión húmeda. Es cuando el gas refrigerante que ingresa al cilindro del compresor se encuentra en un estado húmedo saturado o, en otras palabras, el gas aún contiene partículas líquidas.

Este ciclo de refrigeración aumenta la temperatura del refrigerante en el compresor y amplifica la transferencia de calor, lo que significa que reduce la capacidad de enfriamiento y disminuye la eficiencia de refrigeración del compresor, al tiempo que aumenta el consumo de energía.

Además, puede generar riesgos importantes que pueden provocar daños debido a una operación inadvertida, como incidentes de choque de líquidos (escarcha) y accidentes de lavado de cilindros.

Debido a estas desventajas, en los sistemas de refrigeración prácticos, generalmente se incorpora un separador de amoníaco-líquido para segregar el gas y el líquido, evitando la ocurrencia de ciclos de refrigeración por compresión húmeda dentro del sistema.

 

Ciclo real de refrigeración por compresión

El ciclo de refrigeración por compresión descrito anteriormente representa el escenario ideal, diferenciándose del ciclo de refrigeración por compresión real debido a varios factores:

1) En el ciclo ideal de refrigeración por compresión, los procesos de evaporación y condensación del refrigerante suponen una presión y una temperatura constantes. Sin embargo, tanto la presión como la temperatura disminuyen durante la condensación, mientras que aumentan durante la evaporación del refrigerante.

2) El ciclo ideal de refrigeración por compresión supone que no hay pérdidas en las tuberías del sistema de refrigeración y que la caída de presión se debe a la válvula de mariposa. Existen resistencias en las tuberías, válvulas y otros componentes que contribuyen a un cierto grado de caída de presión.

3) En el ciclo ideal de refrigeración por compresión, se supone que el compresor experimenta una compresión adiabática sin ninguna pérdida. Sin embargo, el cilindro del compresor realiza un intercambio de calor con el entorno, lo que genera pérdidas como la fricción y el estrangulamiento de la válvula dentro del cilindro, junto con factores como el volumen libre, todo lo cual aumenta el consumo de energía del compresor.

Ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas

El ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas ha evolucionado a partir del ciclo de refrigeración por compresión de una sola etapa, que implica un proceso de compresión dividido en dos etapas.

El vapor de refrigerante que sale del evaporador ingresa inicialmente al cilindro de baja presión (o compresor de etapa de baja presión), donde sufre compresión a una presión intermedia.

Luego de esta etapa, será enfriado por el intercooler y posteriormente dirigido al cilindro de alta presión (o compresor de etapa de alta presión), donde alcanzará la etapa final de compresión que conduce al condensador. Este método constituye el ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas.

 

Ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas con estrangulamiento de una sola etapa y enfriamiento completo en el medio

En una configuración de refrigeración de dos etapas basada en amoníaco, el refrigerante líquido a presión de condensación actúa como regulador del intercooler. Esta parte del refrigerante líquido de presión media enfría el vapor sobrecalentado liberado de la etapa de baja presión, reduciendo su temperatura al nivel de saturación correspondiente a la presión intermedia. Este método de enfriamiento intermedio, llamado “enfriamiento completo intermedio”, se ilustra en la Figura 8.

 

Ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio parcial

Dentro del sistema de refrigeración, la distinción entre los ciclos de refrigeración por compresión de dos etapas radica en el enfriamiento intermedio incompleto versus completo.

Un ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas tiene dos tipos: enfriamiento completo e incompleto. En el enfriamiento intermedio incompleto, el gas de descarga que proviene del compresor de la etapa de baja presión se combina directamente con el vapor del intercooler mientras lo desvía y luego ingresa al compresor de la etapa de alta presión. Este tipo de sistema se utiliza únicamente en sistemas de refrigeración por compresión de dos etapas basados ​​en freón. La Figura 9 ilustra el ciclo de refrigeración por compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio parcial.

Ciclo de refrigeración por compresión en cascada

Por lo general, se utiliza un solo refrigerante en la compresión de una o dos etapas. Se convierte en un ciclo de compresión de refrigeración en cascada si se utilizan dos o más refrigerantes diferentes por separado para la refrigeración cíclica.

Las figuras 10 y 11 ilustran el sistema de refrigeración por compresión en cascada. Normalmente, se utiliza R22 como refrigerante en la sección de alta temperatura, mientras que R13 se utiliza en la parte de baja temperatura. Esto permite una temperatura de evapo

ración de hasta -90 °C a -80 °C.

_{El sistema de refrigeración de tornillo en cascada con} NH3 – _CO2 se ha introducido porque los refrigerantes de amoníaco tienen características inflamables, tóxicas y explosivas. Esta es una de las soluciones que se han diseñado para reducir la cantidad de amoníaco en los sistemas de refrigeración y eliminar los riesgos de peligros.

La figura 11 ilustra un sistema dividido en dos segmentos: el ciclo de alta temperatura y el ciclo de baja temperatura.

En el ciclo de alta temperatura, el NH3 _se comprime en el compresor, seguido de la separación del aceite y el gas. Luego pasará al condensador de NH3 _para su condensación, entrando en el evaporador de condensación después de la regulación desde el depósito de líquido. En el depósito, absorbe CO2 _, lo que da como resultado la evaporación del calor condensado. Posteriormente, se produce una separación gas-líquido en el separador gas-líquido. Luego, el gas vuelve a entrar en el compresor para facilitar la circulación dentro del sistema de alta temperatura.

En el ciclo de baja temperatura, el CO2 _se comprime mediante el compresor, seguido de la separación del petróleo y el gas. Luego pasa al evaporador de condensación, donde se mezcla con el NH3 de alta temperatura _. Después del intercambio de calor, se condensa en un líquido y luego ingresa al depósito de CO2 _líquido .

Después de entrar al depósito, se seca a través de un filtro desecador antes de ser estrangulado y despresurizado para ingresar al separador de gas-líquido de CO2 _. Este separador suministra líquido al evaporador a través de la circulación de una bomba.

La mezcla de gas y líquido del evaporador luego vuelve a ingresar al separador de gas y líquido para su separación, luego, el gas regresa al compresor, lo que permite la circulación dentro del sistema de refrigeración de baja temperatura.

 

 

II. Diagrama esquemático del sistema de refrigeración

El diagrama esquemático del sistema de refrigeración de una cámara frigorífica (también conocido como diagrama del sistema de refrigeración) ilustra las interconexiones entre todos los equipos, contenedores, tuberías, válvulas y otros componentes del aparato de refrigeración. Su propósito es brindar una visión holística de todo el sistema de refrigeración.

El diagrama esquemático abarca los siguientes detalles clave:

1) Escala y características del sistema de refrigeración.

2) Especificaciones, nombres, modelos y cantidades de todos los equipos.

3) Avances del sistema, exhaustividad e identificación de problemas o desafíos existentes.

Es fundamental que el personal de la unidad de construcción y los instaladores del sistema de refrigeración revisen el diagrama esquemático del sistema de refrigeración. Esto les permite comprender el aparato de refrigeración y familiarizarse con el proyecto de instalación.

Además, los operadores de la sala de máquinas de refrigeración deben leer el diagrama esquemático del sistema de refrigeración, las listas de equipos, las anotaciones, entre otros, para familiarizarse. El primer paso para comprender cómo funciona un diagrama es a través de las leyendas identificadas. En la Tabla 1-8 se detallan ejemplos comunes de tuberías y válvulas que se encuentran con frecuencia en los diagramas esquemáticos de refrigeración de almacenamiento en frío.

Una vez que pueda determinar lo que indican las leyendas, podrá comprender el flujo de proceso general del sistema de refrigeración dentro de todo el proyecto. Al interpretar el diagrama, comience por comprender las funciones de cada compresor y las soluciones de refrigeración disponibles que se pueden cambiar entre ellos, como identificar varios procesos auxiliares como liberación de aire, liberación de aceite, limpieza con escarcha y carga de refrigerante.

Al conocer estos ciclos y procesos de refrigeración, podrá comprender todo el sistema de proceso. Si se familiariza con las diferentes válvulas e instrumentos del sistema y el diagrama, podrá identificar el modelo, las especificaciones, la cantidad y otra información pertinente para cada equipo.

 

 

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