Sistemas de Refrigeración-Eficiencia energética

1 ( ) Sistemas de Refrigeraci n - Evaluaci n de la eficiencia integral Objetivos. Resumen termodin mico para entender como realizar la evaluaci n energ tica Volumen de refrigerante desplazado y capacidad frigor fica Sistemas de Refrigeraci n funcionando como bomba de calor (bc) en la climatizaci n. Diferencias respecto al Sistema de Refrigeraci n (f). Pasos a dar para determinar la eficiencia energ tica del sistema de refrigeraci n Resumen Los Sistemas de refrigeraci n por compresi n de vapor son los m s com nmente usados. El principio de este sistema de refrigeraci n consiste en el enfriamiento por evaporaci n de un l quido refrigerante. ste se mantiene en condiciones de presi n tales que su evaporaci n ocurre a temperaturas menores que las del ambiente a enfriar.

2 El fluido usado como refrigerante, que se encuentra en la fase vapor, vuelve a la fase l quida expulsando calor, con lo que se completa el ciclo. Para que el gas al condensarse entregue calor al medio ambiente, la temperatura a la cual ocurre este proceso debe ser superior a la del ambiente y obviamente muy superior a la del l quido que est evaporando. Esta mayor temperatura de condensaci n se consigue aumentando la presi n del gas. Se necesita, entonces, un compresor para elevar su presi n (y temperatura) y un elemento de control que permita la ca da de la presi n del l quido que ser evaporado. Los otros elementos que constituyen el sistema de refrigeraci n y que en la p gina anterior he explicado, son el evaporador, donde se produce la evaporaci n del 1 quido y la absorci n de calor; y el condensador, donde se condensa el gas comprimido y caliente, disipando calor al medio ambiente (puede ser aire o agua).

3 La capacidad de refrigeraci n de un equipo est dada por el calor absorbido en el evaporador (QB). En cambio, la carga de refrigeraci n corresponde a la energ a t rmica que contiene el medio que se desea refrigerar. El trabajo ejercido por el compresor sobre el fluido refrigerante (W) puede estimarse como la diferencia entre el calor disipado por el condensador (QA) y el calor absorbido por el evaporador (QB). El calor absorbido en el evaporador (QB), el calor expulsado en el condensador (QA) y la potencia o trabajo ejercido sobre el fluido refrigerante (W), pueden ser calculados de acuerdo a las variaciones de la entalp a del refrigerante en las distintas etapas del ciclo, suponiendo que las v lvulas de expansi n son isoent lpicas (entalp a constante).

4 Consultando un texto sobre termodin mica, se pueden extraer las ecuaciones que nos ayudar n a evaluar el proceso, las que vienen representadas por: QB=m(h1-h5)evap = m(h1-h4)exp QA=m(h2-h4)cond W=m(h2-h1)compm : flujo de refrigerante en unidades de masa, masa/tiempo hi : entalp as en los distintos puntos indicados en las Figura anterior Los ciclos reales se alejan en la pr ctica de los ciclos te ricos y esto es debido a que las sustancias no se comportan en los estados ideales sobre los cuales se define la te rica del proceso. Esta realidad se comprueba en las siguientes etapas del ciclo: Ingenier a Energ tica nuestra ) La compresi n no sigue exactamente un proceso adiab tico, ya que se producen p rdidas de calor del gas refrigerante en el compresor.

5 B) Los procesos de condensaci n y evaporaci n no son isob ricos debido a las p rdidas de carga por fricci n. c) Existe normalmente un peque o subenfriamiento del l quido que llega a la v lvula de expansi n y un sobrecalentamiento del vapor que llega al compresor. Esto ya los hemos revisado anteriormente. El coeficiente de operaci n (COP) nos da una idea de la eficiencia con que est operando el sistema de refrigeraci n. Este se define como : COP=QB/W = (h4-h1)evp/(h2-h1)compEste coeficiente de operaci n es aplicable de la misma forma tanto al ciclo ideal como al ciclo real. En la pr ctica, si no se conocen con precisi n las condiciones de P y T en punto 2, para el c lculo de h2 y W, estas variables se pueden determinar considerando compresi n isentr pica y aplicando posteriormente la correcci n correspondiente por medio de la eficiencia isentr pica (ns) W=Ws/nsdonde Ws es el trabajo isentr pico, para lo que hemos asumido que s1=s2.

6 Conocida el eficiencia isentr pica, calculamos el trabajo real W. Tambi n se puede calcular la potencia activa que desarrolla el motor el ctrico, si este es el caso, conocida su tensi n el ctrica, (V) volt, la corriente nominal (I), amp y el factor de potencia (cos f ) que toma el motor. Teniendo en cuenta si el motor es monof sico o trif sico, esta puede ser calculada por la expresi n: monof sico P = (V,volt )* (I,amp) * (cos (f)) trif sico P = [(V,volt )* (I,amp) * (cos (f))] Volumen de refrigerante desplazado y capacidad frigor fica. Para completar el an lisis energ tico del sistema, adem s de determinar los par metros y variables termodin micas del comportamiento del amoniaco en el Sistema de Refrigeraci n, necesitamos conocer el volumen desplazado y la masa de refrigerante que circula por el sistema.

7 Conocida la masa de refrigerante que circula, en lb/h y el calor absorbido en el evaporador, en Btu/lb, se calcular la capacidad frigor fica, en toneladas de refrigeraci n. En los Sistemas de mediana y gran capacidad, se instalan diferentes tipos de compresores, entre ellos: los reciprocantes o de pistones, los de tornillos, los compresores scroll, los centr fugos, mencionando los tipos m s empleados. Compresor_AlternativoCompresor_Tornillo El volumen desplazado de refrigerante es funci n de la capacidad, tipo de compresor y de las condiciones del refrigerante en la succi n. Hoy en d a es muy corriente, que en los Sistemas de mediana y gran capacidad se monitoree el flujo de refrigerante, a trav s de un sistema de medici n, compuesto bien por un metro rotativo de flujo, o por toberas, platillos, tubos pitot, venturis, etc.

8 Estos elementos de medici n y sus convertidores, transmiten una se al el ctrica hasta un PLC o aut mata. El aut mata traduce la se al en el dato operativo que se requiere, en Ingenier a Energ tica nuestra de volumen o masa por unidad de tiempo. En los casos en que no se disponga de la medici n del flujo del refrigerante, podr a calcularse, seg n el tipo de compresor. Para los compresores alternativos, conocido el di metro del pist n, plg (D), la longitud de la carrera, plg (L), del n mero de rev por min o rev por hora (n), la cantidad de pistones (N), el rendimiento volum trico de la compresi n nv y las caracter sticas del volumen aspirado en la succi n del compresor, puede calcularse el volumen que este desplaza, instant neamente. Es normal que los Sistemas tengan instalados un control del capacidad, por lo que existir n diferentes etapas de marcha, en ritmo con la demanda.

9 Es por eso que las mediciones y c lculos son representativos para las condiciones instant neas en que se han tomado los par metros de temperatura, presi n y flujo de refrigerante. Se recomienda tomar varias lecturas y mediciones de los par metros y variables termodin micas, cada juego considerando diferentes marchas. As el comportamiento energ tico y los indicadores de eficiencia que resulten de los c lculos, ser n representativos de las variantes operativas del sistema. Nota: Expresiones para determinar el volumen desplazado y la masa de refrigerante si el tipo de compresor es alternativo. Vd=N[ (D)2*L*2n*nv]=pie3/min o pie3/h La masa de refrigerante es igual al desplazamiento anterior Vd, dividido entre el volumen espec fico del vapor en la succi n del compresor.

10 Masaref= (Vd/vgasat)= kg/min o kg/h Frigor as=(Masaref)*(QB)=frigorias/min o frigorias/h Una relaci n de eficiencia , empleada para medir el comportamiento energ tico de los Sistemas de refrigeraci n, es Energy Efficiency Ratio (EER): Es la relaci n entre las unidades de energ a de enfriamiento QB, expresada en BTU/h y la potencia instalada en el sistema en Watt para un punto instant neo de operaci n. Este coeficiente, al igual que el COP, tambi n es mayor que la unidad. EER=(QB, BTU/h) / WattNota: El EER toma en cuenta la potencia instalada y el calor absorbido instant neo fr o desarrollado. Las normas internacionales que se establecen para la producci n y desarrollo de nuevos Sistemas de Aire Acondicionado, obligan a que los Sistemas para este tipo de aplicaci n tan difundida se fabriquen con mayor eficiencia .