Circuito de refrigeración: conceptos básicos

Circuito de refrigeración: conceptos básicos

Información básica sobre el funcionamiento del circuito frigorífico, los componentes utilizados y las piezas implicadas.

Bienvenidos a esta guía creada por Itieffe "Explorando el frío controlado - guía de los fundamentos del circuito frigorífico". En un mundo donde el control de la temperatura es fundamental para una amplia gama de aplicaciones, esta guía te llevará en un fascinante viaje al corazón de los circuitos frigoríficos, desvelándote los secretos detrás del funcionamiento de estos sistemas que nos permiten generar y mantener frío.

Los circuitos frigoríficos están presentes en muchos aspectos de nuestra vida diaria, desde los hogares hasta las plantas industriales, desde los supermercados hasta los laboratorios científicos. Pero, ¿qué sucede realmente dentro de estos circuitos que nos permiten enfriar y mantener las cosas a temperaturas controladas? En esta guía, exploraremos los fundamentos fundamentales de los circuitos frigoríficos, desmitificando los conceptos clave que los hacen posibles.

A través de un enfoque claro y accesible, le guiaremos a través de los principios termodinámicos que subyacen en el funcionamiento de un circuito frigorífico. Aprenderás cómo el fluido refrigerante, sometido a variaciones de presión y temperatura, puede transferir calor de un ambiente a otro, permitiendo alcanzar temperaturas inferiores a las del ambiente circundante. A través de diagramas, explicaciones detalladas y ejemplos prácticos, te llevaremos por los pasos que componen un ciclo de refrigeración.

Circuito de refrigeración: conceptos básicos

Esta guía no requiere conocimientos avanzados de termodinámica o ingeniería. Está destinado a quienes deseen tener una comprensión básica de cómo funcionan los circuitos de refrigeración y cómo se utilizan en diversos contextos. Ya sea estudiante, técnico o simplemente tenga curiosidad por aprender algo nuevo, esperamos que esta guía arroje luz sobre el complejo pero fascinante mundo de los circuitos refrigerantes.

Te invitamos a unirte a nosotros en este viaje a través del frío controlado, donde las leyes de la termodinámica se traducen en tecnologías que influyen en nuestro confort, nuestra salud y la producción de bienes esenciales. Que esta guía sea tu brújula mientras exploras los mecanismos que nos permiten dominar el frío y utilizarlo a nuestro favor.

EL CIRCUITO REFRIGERANTE

No hay máquinas que sean capaces de producir frío, pero sí máquinas que son capaces de sustraer calor de fluidos o cuerpos (aire, agua, metales, etc.).

Estas máquinas se denominan genéricamente: "refrigeradores".

Se dividen en categorías según su tipo y uso y se denominan refrigeradores y congeladores domésticos (temperaturas +4-20 ° C), refrigeradores industriales y de laboratorio (temperaturas hasta -140 ° C) deshumidificadores, acondicionadores de aire y enfriadores de agua de cualquier tipo. tamaño y potencial.

Analicemos estas máquinas (en este caso tendremos en cuenta la pequeña refrigeración doméstica aunque las bases sean las mismas para todas las categorías).

Circuito de refrigeración: conceptos básicos

EL REFRIGERADOR: CICLO ESTÁNDAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR

Se sabe que el calor se transfiere de áreas de mayor temperatura a áreas de menor temperatura. Este proceso de transferencia de calor se produce de forma espontánea en la naturaleza, sin requerir la intervención de ninguna máquina. El proceso inverso, por otro lado, es decir, la transferencia de calor de áreas de temperatura más baja a áreas de temperatura más alta, no ocurre espontáneamente y requiere el uso de máquinas especiales llamadas máquinas de refrigeración.

La Figura 1 muestra el diagrama del sistema de un circuito de refrigeración por compresión de vapor estándar.

Transformaciones del circuito de refrigeración.

Las transformaciones que realiza el fluido refrigerante en el interior de la unidad frigorífica se remontan a las indicaciones del "ciclo de Carnot" del que remitimos la explicación a otras localizaciones:

1_2 – El vapor saturado a baja presión es aspirado por el compresor y sufre una compresión adiabática reversible (compresión isoentrópica). El compresor comprime el vapor, aumenta su presión y temperatura y lo empuja hacia el condensador.

2_3 – El calor Q2, calor de condensación, se transfiere al aire exterior o a otros fluidos, en un proceso de condensación a presión constante, transformando el vapor en líquido. El intercambiador que realiza la transformación se llama condensador. Del condensador sale un fluido en forma de líquido saturado.

3_4 – Hay paso a través de la válvula de expansión (válvula de laminación), en la cual el fluido pasa de la presión más alta a la presión más baja produciendo el fenómeno de expansión. Es con este cambio de estado que se elimina calor del ambiente o fluido. El líquido, después de la válvula de expansión, ya no se comprime y vuelve al estado de vapor.

4_1 – El calor Q1 (calor removido del ambiente o del fluido involucrado) es recibido por el sistema de refrigeración a menor temperatura en un proceso de evaporación a presión constante a través de un intercambiador de calor llamado evaporador, de esta manera se cierra el ciclo y el refrigerante y listo para realizar un nuevo ciclo de refrigeración.

 

MÁQUINAS REFRIGERADORAS COP

Para las máquinas frigoríficas, es posible definir un indicador de eficiencia: el coeficiente de rendimiento. (POLICÍA_F):

COP_F = efecto beneficio / gasto necesario = Q1 / L_c

donde el efecto útil es el calor restado a baja temperatura para mantener un ambiente frío, mientras que el gasto necesario lo representa el trabajo de compresión.

El policia_F e inversamente proporcional al costo operativo de la planta: cuanto mayor es el trabajo de compresión, menor es el coeficiente de rendimiento.

SUBCALENTAMIENTO Y SUBCALENTAMIENTO

En la práctica común, en los ciclos de compresión de vapor estándar se realiza un subenfriamiento del líquido antes de llevar a cabo la expansión (laminación). De esta manera, es seguro alimentar el miembro de laminación con líquido y no con vapor (lo que haría que el dispositivo funcionara mal). El sobrecalentamiento se realiza para asegurarse de alimentar el compresor con vapor y para evitar que el fluido contenga trazas de líquido. De hecho, puede suceder en este caso que el compresor comprima algún líquido provocando su rotura. Por tanto, se prefiere que el fluido se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Esta operación se realiza siempre en el ciclo de refrigeración independientemente de si hay aumento o disminución de COP; de esta forma puede estar seguro de que el compresor (órgano muy caro) funciona bien y durante mucho tiempo.

ESQUEMATIZACIÓN DE COMPORTAMIENTO

La figura muestra un esquema de un circuito frigorífico genérico: se puede ver cómo el aire en contacto con el evaporador B libera calor Q1 procedente del ambiente E, mientras que el resto del aire exterior es más cálido (pero siempre a una temperatura inferior a la temperatura de condensación ) se calienta al pasar por el condensador C y luego se envía al exterior (calor Q2). El circuito se completa con el elemento rodante D.

 

COMPONENTES DEL CIRCUITO FRIGORÍFICO

EL COMPRESOR

El compresor es el "corazón" del circuito frigorífico. Es la fuerza motriz del sistema de refrigeración porque proporciona el trabajo necesario para realizar el ciclo termodinámico. Su función es llevar el fluido refrigerante vaporizado de la presión del evaporador (baja presión) a la presión del condensador (alta presión) que corresponde a una temperatura de condensación compatible con la del fluido refrigerante externo (aire o agua).

Tipos de compresores de refrigeración

alternativa	hermético
	semihermético
	abierto
giratorio	tornillo
	solo tornillo
	tornillo doble
	espiral (desplazamiento)
	paleta (paleta deslizante)
	pistón oscilante

Existen diferentes tipos de compresores que se pueden clasificar por tipo de compresión y tipo de construcción:

- dinámica en la que la compresión se obtiene variando las condiciones de flujo del fluido con conversión de energía

- volumétrica en la que la compresión se obtiene por reducción mecánica del volumen ofrecido al fluido en un capsulismo de geometría variable; se dividen en:

Compresores volumétricos alternativos

El compresor alternativo está constituido esencialmente por un cilindro dentro del cual gira un pistón, con movimiento alternativo. El cilindro está cerrado en la parte superior por una placa donde se obtienen dos aberturas equipadas con válvulas. Permiten conectar alternativamente el cilindro, a través del conducto de aspiración, al evaporador y, a través del conducto de impulsión, al condensador. Mediante un mecanismo de biela y manivela, el pistón se conecta al cigüeñal que tiene la función de transformar de forma alternativa el movimiento de rotación del motor al que está conectado (generalmente un motor eléctrico).

Diagrama del sistema de válvulas de pistón del cilindro

Durante la fase de admisión, el pistón se mueve hacia abajo, las válvulas de admisión se abren, poniendo la cámara del cilindro en comunicación con la zona de baja presión del circuito. Una vez alcanzado el volumen útil, el que se produce en el punto muerto inferior (PMI), el pistón comienza a reducir el volumen de la cámara del cilindro y a comprimir el fluido. Las válvulas de admisión se cierran, mientras que las válvulas de entrega se abren solo cuando la presión dentro del cilindro es igual a la presente en la parte superior del circuito. La relación de compresión (y se indica el símbolo ρ) es la relación entre la presión de condensación y la presión de evaporación.

Los compresores alternativos se pueden clasificar a su vez según el método de construcción en:

 

Compresores rotativos scroll

En los compresores Scroll, también conocidos como "scroll orbitando", la compresión de gas se produce gracias a la acción combinada de dos espirales involutos acoplados entre sí. La primera espiral permanece fija mientras que la segunda realiza un movimiento orbital (no una rotación), gracias a esta configuración se crean bolsas de gas entre las bobinas que se mueven hacia adentro, contrayéndose y comprimiéndose. La compresión obtenida es extremadamente uniforme, evitando así las clásicas “pulsaciones” características de los compresores alternativos.

Compresores rotativos gemelos

Los problemas más comunes relacionados con los compresores rotativos scroll se refieren a la correcta lubricación en el arranque con riesgo de gripado, la presencia de grandes cantidades de aceite en el circuito con ciclos de recuperación relativamente frecuentes y finalmente la pérdida de eficiencia en cargas parciales debido a la limitación de capacidad. a bajas frecuencias. Para solucionar estos problemas se diseñó un nuevo compresor Twin Rotary, en el que hay dos paletas.

Gracias a su rotación en contrafase, las fuerzas centrífugas opuestas que actúan sobre el eje de rotación garantizan una mayor estabilidad a bajas revoluciones. El "Doble Rotor" permite una mayor uniformidad de rotación durante las operaciones de compresión y una reducción de la fricción en comparación con las máquinas rotativas clásicas. Las paletas quedan completamente sumergidas en el aceite, reduciendo significativamente el ruido producido y las vibraciones transmitidas al circuito frigorífico, manteniendo siempre una excelente lubricación. Al no disponer de una fase depresiva para recuperar el lubricante, la cantidad de aceite que se introduce en el circuito frigorífico es mucho menor que con el compresor Scroll.

En particular:

1 = succión

2 = compresión

3 = desagüe

COMPRESORES DE PIEZAS ELÉCTRICAS

Las conformaciones de las partes eléctricas de los compresores frigoríficos adaptadas a cada necesidad individual según los distintos tipos de esquemas de conexión de los suministros eléctricos se describen accediendo al enlace siguiente. Se describen los diversos componentes eléctricos necesarios para el arranque y funcionamiento del compresor y son fundamentalmente: relés, protectores térmicos (clicson), condensadores electrolíticos, etc.

Ver: "Diagramas de piezas eléctricas del compresor"

 

LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor (en este caso condensadores y evaporadores) son dispositivos que permiten el intercambio de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas. En los intercambiadores de calor los dos fluidos no se mezclan entre sí: el calor se intercambia por convección en ambos fluidos y por conducción a través del medio de separación entre ellos.

El condensador

El condensador en el circuito frigorífico cumple la función de disipar el calor absorbido por el refrigerante a través de un fluido que puede ser agua o aire. Debido a la compresión dada por el compresor, el fluido llega al condensador en condiciones de vapor sobrecalentado donde se enfría y condensa transfiriendo su calor al fluido refrigerante, luego de lo cual sale del condensador en condiciones líquidas.

El refrigerante ingresa al condensador en estado de sobrecalentamiento. Tras un corto tramo, el refrigerante alcanza las condiciones de saturación y a partir de aquí comienza el tramo afectado por el cambio de fase, que suele ocupar gran parte del intercambiador. Incluso si en el cambio de fase se produce una bajada de temperatura debido a la caída de presión que sufre el refrigerante. Una vez completamente condensado, el refrigerante líquido se subenfría hasta que sale del condensador. El fluido caloportador que absorbe el calor de condensación suele ser monofásico y por tanto su temperatura aumenta a lo largo del recorrido en el interior del intercambiador. La clasificación de los condensadores se realiza generalmente en función del fluido caloportador utilizado:

El evaporador

El evaporador realiza la función de eliminar el calor no deseado del fluido a tratar (aire o agua) para transferirlo al circuito. El refrigerante ingresa al evaporador con un título de alrededor del 10%, debido a la caída de presión durante el cambio de fase, el refrigerante disminuye su temperatura incluso si absorbe calor hasta que alcanza condiciones de vapor saturado seco. El refrigerante se sobrecalienta hasta que sale del evaporador, para ser aspirado nuevamente por el compresor. Existen evaporadores ventilados que aumentan su efectividad mediante un ventilador y evaporadores estáticos que no recurren a este dispositivo. Los evaporadores estáticos ofrecen varias ventajas en las celdas refrigeradas utilizadas para alimentos, ya que eliminan menos humedad del ambiente que las ventiladas.

 

FLUIDO TÉRMICO

El fluido caloportador que libera el calor de evaporación suele ser monofásico (normalmente aire o agua) y, por tanto, su temperatura disminuye a lo largo del camino dentro del intercambiador. En el caso del aire, a veces empujado por un ventilador, toca las tuberías del evaporador, dando calor al refrigerante (calor latente de evaporación), haciéndolo evaporar. A medida que el refrigerante se evapora, absorbe calor de su entorno. El aire se enfría y luego se envía de regreso a la habitación. Para facilitar la evaporación del refrigerante, se utilizan tuberías de cobre con un alto coeficiente de conductividad térmica. Los tubos de cobre se insertan en una serie de finas aletas que aumentan la superficie del área en contacto con el aire.

LOS REFRIGERANTES

Los fluidos refrigerantes son el medio por el que se produce la transferencia de calor en las distintas partes del circuito frigorífico. El primer refrigerante utilizado en las máquinas de refrigeración por compresión de vapor fue el éter etílico, elegido y utilizado a mediados del siglo pasado por Perkins y Harrison debido a su inflamabilidad y toxicidad y debido a la escasa fiabilidad de los sistemas de sellado con el tiempo se abandonó su uso. . En la segunda mitad del siglo XIX se introdujeron otros refrigerantes, como el dióxido de carbono, el amoníaco y el cloruro de metilo; El uso de estos refrigerantes contribuyó sin duda al desarrollo de las máquinas de refrigeración por compresión de vapor.

Sin embargo, el problema de seguridad, debido a la toxicidad e inflamabilidad de casi todos los refrigerantes enumerados, persistió hasta que en la década de 30 se introdujeron los refrigerantes sintéticos como R11, R113, R21, R22, etc. Se obtiene a partir de metano y etano por sustitución total o parcial de los átomos de hidrógeno por los de cloro, flúor y, a veces, bromo. Gracias a sus excelentes características termofísicas y a sus requisitos de estabilidad y seguridad, los clorofluorocarbonos (CFC) se consolidaron como los refrigerantes predominantes para sustituir a los utilizados anteriormente, entre los que prácticamente sólo quedaba el amoniaco (R717) para aplicaciones industriales.

Pero el problema ambiental, en términos de destrucción de ozono y calentamiento global por efecto invernadero, ha deslegitimado en parte el papel jugado por los llamados CFC en los últimos cincuenta años; de ahí la necesidad de sustituir los CFC por otros fluidos, lo que ha llevado al mundo técnico a vislumbrar y examinar las diversas posibilidades, pero al mismo tiempo planteó el problema del "Retroajuste", es decir, la conversión de todos los sistemas existentes y sus adaptación a nuevos refrigerantes.

Los nuevos refrigerantes

A partir de fines de la década de 70, la industria química comenzó a trabajar para identificar nuevas sustancias aptas para su uso en sistemas de refrigeración, reemplazando a los CFC y luego también a los HCFC que estaban creando muchos problemas ambientales como la disminución del ozono estratosférico. Las sustancias identificadas, que pertenecen a la clase de hidrofluorocarbonos HFC, han sido evaluadas tanto desde el punto de vista toxicológico (International PAFT Consortium) como desde el punto de vista medioambiental (AFEAS International Consortium). Los nuevos refrigerantes se caracterizan por una alta estabilidad química, lo que los hace adecuados para su uso en casi todas las condiciones de funcionamiento que se pueden encontrar en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Estos nuevos fluidos son mezclas de varios compuestos y en función de su comportamiento se definen:

- Azeótropos: son mezclas que no cambian ni su composición volumétrica ni su temperatura de saturación durante la evaporación (ausencia de efecto de deslizamiento); por lo tanto, los cambios de estado ocurren presión y temperatura constantes.

- Casi azeótropos: presentan una ligera variación de temperatura durante la transición de estado (pequeño efecto de deslizamiento) que sin embargo no compromete el rendimiento y funcionamiento del sistema.

- Zeótropos: tienen un marcado efecto de "deslizamiento", es decir, el paso de estados se produce a presión constante pero no a temperaturas constantes. A la hora de diseñar la maquinaria hay que tener en cuenta esta particularidad si se pretende utilizar un fluido zeotrópico. Esta mezcla está formada por una parte más volátil y una menos volátil, en caso de fugas el componente más ligero se escapará fácilmente. De esta manera, solo el componente más pesado permanecerá en el circuito, a menudo con malas características de enfriamiento. Por tanto, en caso de avería, primero se debe vaciar completamente el sistema y “recrear” la mezcla reponiendo el componente perdido y finalmente, después de haber reparado la fuga, se debe volver a llenar el circuito.

Los principales refrigerantes HFC:

- R134A

- R407C

- R410A

Para obtener más detalles, consulte los siguientes enlaces:

gas refrigerante

Tarjetas de gas refrigerante

Relación de presión de temperatura del refrigerante

Aplicaciones típicas

Aplicaciones típicas de gas refrigerante con indicación del tipo de fluido, número R, qué producto reemplaza, composición y fabricante.

Consulte la versión completa "Aplicaciones típicas de gas refrigerante"

EL ÓRGANO LAMINANTE

Desde un punto de vista puramente termodinámico, el elemento de laminación sirve para reducir la presión y la temperatura entre los dos intercambiadores de calor del ciclo inverso de compresión de vapor. En la práctica, su función principal es regular el flujo de fluido refrigerante desde el condensador al evaporador para que siempre sea acorde con la capacidad frigorífica que debe garantizar el sistema. La clasificación entre los diferentes elementos rodantes se basa en la capacidad de adaptar su geometría a las diferentes condiciones de carga (variación de la capacidad frigorífica requerida).

El tubo capilar

Es el órgano de laminación más común en máquinas de refrigeración y acondicionadores de aire pequeños y muy pequeños. El refrigerante líquido se ve obligado a pasar a través de este tubo extremadamente estrecho. La energía perdida al pasar a través del capilar lleva al refrigerante de un estado de alta presión a un estado de muy baja presión. en estos casos se establecen espontáneamente condiciones de funcionamiento distintas a las nominales con disminución de la eficiencia.

La válvula de expansión termostática

Las válvulas de expansión termostáticas controlan la inyección de refrigerante líquido en los evaporadores y protegen el motor del compresor del refrigerante líquido. 

La válvula de expansión termostática permite mantener constante el sobrecalentamiento (o el nivel de refrigerante) en situaciones de carga variable en el sistema de refrigeración, con el fin de ahorrar energía.

La válvula de laminación electrónica

Actúa como una válvula termostática excepto que no se autoactiva mediante el sistema de presión creado en la válvula. Es un verdadero sistema de control electrónico operado electrónicamente.

Elementos rodantes que adaptan su geometría a la carga:

• válvula de expansión termostática
• válvula de expansión electrónica

Elementos rodantes que NO adaptan su geometría a la carga:

• tubo capilar
• válvula de presión constante

 

PRINCIPALES ACCESORIOS

 

Otros tipos de termostato

Antigüedad (siempre verde)

• Refrigeración

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