Sistemas de innovación de compresión de vapor

Para uso industriales es menester el utilizar sistemas más eficientes que el de simple compresión a vapor, hoy en día contamos con el sistema de refrigeración en cascada y por múltiples etapas. A continuación veremos de que tratan:

Sistemas de refrigeración en cascada 

Un gran intervalo de temperatura en este caso de refrigeración del medio significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre desempeño en el compresor. Por eso una manera conveniente para evitar este problema es realizar varias etapas en serie. En la figura 1 se muestra el esquema del sistema de cascada.

Figura 1: Sistema de refrigeración de dos etapas con el mismo refrigerante en ambas etapas.

Entre sus aplicaciones encontramos:

La industria aeronáutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizándola en cámaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90ºC para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biológicos.

El principio de este proceso utiliza el arreglo del sistema de refrigeración por compresión de vapor, la cual dependiendo de cuantas etapas se desean son conectados en serie. Cada etapa es unida por un intercambiador de calor que sirve como evaporador para una etapa del ciclo y a la vez sirve como condensador para otra la otra etapa del ciclo.

Para el análisis de lo que ocurre dentro del intercambiador de calor se supone que este dispositivo está aislado y que las energías cinéticas y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual o muy cercana a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. De esta forma la relación de los flujos másicos que expresado así:

El sistema mostrado en la figura 1 es para el caso de que se presente refrigerantes iguales en las dos etapas, pero esto puede cambiar. Solo hay que tener siempre presente que para que haya transferencia de calor debe haber una gradiente de temperatura.

Observando la figura 1 es evidente que el trabajo del compresor disminuye y que el COP mejora al aumentar la absorción de calor del sistema. 

Ejemplo:
Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con refrigerante 134a como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede en un intercambiador de calor adiabático de contraflujo desde ambos flujos entran aproximadamente a 0.32 MPa (En la práctica, el fluido de trabajo del ciclo inferior estará a una presión y una temperatura más altas en el intercambiador de calor, para una transferencia de calor efectiva.) Si el flujo másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 Kg/s determine a) el flujo másico del refrigerante en el ciclo inferior, b) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, así como c) el coeficiente de desempeño de este refrigerador en cascada.

Las entalpías se han buscado en las tablas del refrigerante en el libro de Cengel de cualquier edición.

Como este problema trabaja en el rango de presiones máximo y mínimo del problema 1 mostrado en el ciclo de refrigeración por compresión ideal, se puede observar que el COP aumenta cuando se han utilizado dos etapas en vez de una.

Sistema de refrigeración por múltiples etapas por compresión

Cuando se utiliza el mismo refrigerante o fluido refrigerador en el proceso de cascada, se puede configurar el sistema de tal forma que el intercambiador puede sustituirse por una cámara de mezclado (llamado cámara de vaporización instantáneo). 

Este sistema está representado en la figura 2. La cámara de vaporización es un dispositivo utilizado para separar fluidos en mezcla donde entra un fluido en forma de mezcla saturada a una presión determinada y sale con la misma presión en ambas partes, en forma de líquido saturado por una salida y por la otra en forma de vapor saturado.

Figura 2: Esquema del sistema de refrigeración por compresión de dos etapas con una cámara de vaporización instantánea. 

Durante este ciclo, el refrigerante líquido se expande en la primera válvula de expansión hasta la presión de la cámara de vaporización instantánea y parte del líquido se evapora, una parte de la mezcla sale como líquido saturado y otra parte sale como vapor saturado. El vapor que viene saturado en el estado 3  se mezcla con el vapor sobrecalentado del compresor de baja presión (estado 2) y esta mezcla se dirigirá al compresor de alta presión en el estado 9. Esto simboliza una regeneración. Luego el líquido saturado en el estado 7 se expande  a través de la segunda válvula de expansión dirigiéndose al evaporador donde absorbe el calor del espacio refrigerado.

Este sistema de refrigeración presenta similitudes o es muy parecido a una de compresión con dos etapas de enfriamiento. 

Para el análisis del proceso ha de hacerse el siguiente procedimiento:

Ejemplo:
Considere un sistema de refrigeración por compresión de dos etapas que opera en los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. El fluido de trabajo es el refrigerante 134a. El refrigerante sale del condensador como un líquido saturado y es estrangulado hacia una cámara de vaporización instantánea que opera a 0.32 MPa. Parte del refrigerante se evapora durante este proceso de vaporización instantánea, y este vapor se mezcla con el refrigerante que sale del compresor de baja presión. La mezcla se comprime luego hasta la presión del condensador mediante el compresor de alta presión. El líquido en la cámara de vaporización instantánea se estrangula hasta la presión del evaporador y enfría el espacio refrigerado cuando se evapora en el evaporador. Suponiendo que el refrigerante sale del evaporador como un vapor saturado y que ambos compresores son isentrópicos, determine a) la fracción del refrigerante que se evapora cuando se estrangula hacia la cámara de vaporización instantánea, b) la cantidad de calor extraído del espacio refrigerado y el trabajo del compresor por unidad de masa del refrigerante que circula a través del condensador y c)
el coeficiente de desempeño.

En resumen el COP dio muy parecido al que se muestra como resultado del problema planteado para el caso de un sistema de refrigeración en cascada. Claro que esto ocurrió ya que se ha usado el mismo refrigerante.