REF-4-Elementos de La Refrigeración Mecánica 1

Presentación 4 ELEMENTOS DE LA REFRIGERACIÓN MECÁNICA El compresor Ing. Francisco Francisc o Javier Vadillo Vadillo

Elementos de la Refrigeración Mecánica condensador

A

D Dispositivo de expansión

B

compresor

evaporador

Ing. Francisco Francisc o Javier Vadillo Vadillo

C

Elementos de la Refrigeración Mecánica condensador

A

D Dispositivo de expansión

B

compresor

evaporador

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C

EL COMPRESOR •

El compresor constituye el corazón del sistema de refrigeración, se encarga de producir la diferencia de  presiones y el flujo de refrigerante en las tuberías.

•

En cuanto a costos, el compresor constituye un poco más del 50% del valor inicial total del equipo de refrigeración y aproximadamente un 95% del consumo de potencia de funcionamiento.

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LA FUNCIÓN DEL COMPRESOR • El compresor aspira o succiona el refrigerante

del evaporador y luego lo comprime para incrementar su presión y su temperatura. • Para evaluar la operación de los compresores se define la temperatura de succión saturada (TSS) que compara cual sería la temperatura de saturación del refrigerante a la presión de succión. Ing. Francisco Javier Vadillo

TEMPERATURA DE SUCCIÓN SATURADA TSS • La TSS no será la temperatura real en la

succión del compresor. • La temperatura real se mide con el termómetro y la diferencia entre estas temperaturas será aproximadamente de 5.5 a 8° C (10 a 15° F). • Los fabricantes hacen referencia a sus equipos en base a la TSS. Ing. Francisco Javier Vadillo

TIPOS DE COMPRESORES •

Los compresores  pueden ser:  –  Dinámicos o centrífugos.  –  De desplazamiento  positivo

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Son similares a las bombas centrífugas de agua y funcionan proporcionando velocidad al vapor refrigerante para aumentar su energía cinética y su  presión. • Poseen muy pocas partes móviles, por lo que son menos propensos a fallas mecánicas que los otros tipos de compresores. • Generan grandes cargas de enfriamiento con equipos de menores dimensiones. •

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS POCO COSTO ELEVADO Y REQUIERE ESPACIO. SE USAN EN APLICACIONES DE GRAN TAMAÑO. DE MUY ALTA EFECIENCIA Y RELATIVAMENTE SILENCIOSOS SE UTILIZAN MUCHO EN EL ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS EN CICLOS SATURADOS Ing. Francisco Javier Vadillo

COMPRESORES CENTRÍFUGOS DESCARGA

SUCCIÓN ÁLABES DIRECCIÓN

IMPULSOR

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COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO •

Estos crean un cambio de volumen en el refrigerante para aumentar su presión.

•

Pueden ser de dos tipos: • De movimiento lineal o reciprocante • De movimiento circular o rotativos

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COMPRESORES ROTATIVOS •

Los rotativos se clasifican en cuatro tipos:  –  Tipo scroll  –  de pistón rodante  –  de paletas y  –  de tornillo.

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COMPRESOR TIPO SCROLL (ESPIRAL) UTILIZAN UNA ESPIRAL DE MOVIMIENTO CONTINUO QUE COMPRIME EL GAS AL REDUCIR GRADUALMENTE SU VOLUMEN. MUY EFICIENTES Y SILENCIOSOS. APROXIMADAMENTE 3 VECES MENOS RUIDOSOS QUE UN RECIPROCANTE. SU COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES HERMÉTICOS POSEEN MENOS PARTES MÓVILES, POR LO QUE SON MENOS PROPENSOS A FALLAS.

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Su funcionamiento se logra al girar una pieza tipo espiral (scroll) dentro de otra fija.

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COMPRESORES PISTÓN RODANTE

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Compresor de pistón rodante TAMBIÉN SON SILENCIOSOS Y EFICIENTES SE UTILIZAN EN APLICACIONES COMERCIALES PEQUEÑAS REDUCEN GRADUALMENTE EL VOLUMEN AL GIRAR UN PISTÓN DENTRO DEL CILINDRO. COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES Y SIMILAR A LOS “SCROLL”

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COMPRESORES PISTÓN RODANTE

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COMPRESOR DE PALETAS Operan igual a los rotativos de pistón rodante y poseen  prácticamente las mismas características. • La diferencia está en que en lugar de un pistón excéntrico, se dispone de una o más aletas o paletas que por medio de un resorte se ajusta y varía el volumen de aspiración y descarga. •

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COMPRESORES TIPO TORNILLO • •

•

SON DE ALTO COSTO Y ALTA EFICIENCIA SE UTILIZAN EN APLICACIONES A GRAN ESCALA, ARRIBA DE 70 TONELADAS DE REFRIGERACIÓN EN SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDO PUEDEN OPERAR CON CARGAS VARIABLES CON GRAN PRECISIÓN.

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COMPRESORES TIPO TORNILLO

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COMPRESORES RECIPROCANTES Los reciprocantes son los compresores más utilizados en sistemas de refrigeración y funcionan con un juego de pistones y cilindros similares a los motores de combustión interna. • Se clasifican en tres grupos: •

 –  a) herméticos  –  b) semiherméticos  –  c) abiertos

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COMPRESORE RECIPROCANTES Poseen muchas más piezas que los rotativos o centrífugos, por lo que requieren mayor atención de mantenimiento y están más propensos a las fallas mecánicas. • La lubricación se vuelve crítica. Equipos de 5 HP o más requieren bombas de aceite. •

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COMPRESORES HERMÉTICOS Son compactos y de poco tamaño,  pero al ser sellados, no pueden repararse y se consideran desechables. • En ellos el motor que mueve al compresor se encuentra alojado en la misma carcaza y el refrigerante aspirado sirve para su enfriamiento • Su principal aplicación es la refrigeración doméstica y comercial en pequeña escala debido a su bajo costo. •

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COMPRESORES HERMÉTICOS

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COMPRESORES HERMÉTICOS

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COMPRESORES SEMIHERMÉTICOS La diferencia radica en que estos compresores pueden abrirse y desarmarse en ciertos lugares destinados al mantenimiento, lo que permite su reparación y cambio de piezas en caso de falla o desgaste. • Son muy utilizados en el campo de la refrigeración comercial de cuartos fríos y en la refrigeración industrial. •

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Compresores reciprocantes con válvula tipo disco Son los compresores de refrigeración más eficientes • Se utilizan en aplicaciones de  potencia hasta 40HP. • El plato de válvulas esta diseñado para reducir la reexpansión del refrigerante a  presión alta. •

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Comparación entre las válvulas de compresores reciprocantes

•

Convencional

•

válvula de disco

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Compresores con válvula tipo disco

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COMPRESORES ABIERTOS El motor y el compresor son dos partes separadas y un sello especializado se encarga que no exista fuga de refrigerante o lubricante en el acoplamiento entre ejes. • Estos se encuentran casi en desuso y han ido siendo sustituidos por los semiherméticos. • Poseen la ventaja de no sufrir contaminación en caso de daño del motor por recalentamiento y no destinan parte de su capacidad para enfriar el devanado del motor. •

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COMPRESORES TIPO ABIERTO 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Pistón Bomba de aceite Carcaza Anillos de compresión Buje Polea Plato de válvulas Sello estanco mecánico

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COMPRESORES ABIERTOS Pueden ser de acople directo (coupling) o de acople por  poleas y fajas. • Este último acople permite modificar la velocidad del compresor modificando el diámetro de la polea. •

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COMPRESORES TIPO ABIERTO

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COMPRESORES TIPO ABIERTO

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EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES •

Consideraciones:  –  Se

considera que el refrigerante ingresa en forma de vapor sobrecalentado o saturado.  –  No se considera transferencia de calor por las  paredes del cilindro hacia el exterior.  –  El ciclo ideal desprecia las fugas entre el pistón y el cilindro.

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EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES 1. 2. 3. 4. 5.

VAPOR SOBRECALENTADO A PRESIÓN BAJA (DE SUCCIÓN) VÁLVULA DE SUCCIÓN. CLARO VÁLVULA DE DESCARGA VAPOR SOBRECALENTADO A PRESIÓN ALTA

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Compresor reciprocante Aspira vapor baja presión y frío

Descarga vapor a alta presión y temperatura El espacio entre pistón y válvulas debe ser lo más pequeño posible.

Funciona al empujar un pistón dentro de un cilindro

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EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES El movimiento de un pistón crea una diferencia de volúmenes entre su punto inferior de carrera y el superior. • Durante su carrera de succión, vapor de baja  presión entra por un juego de válvulas hacia el cilindro. Durante la carrera de descarga, el pistón se mueve en sentido contrario y reduce el volumen del cilindro, comprimiendo el gas para luego descargarlo en el cabezal del compresor. •

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Para evitar que la cabeza del pistón choque contra el plato de válvulas, se requiere de un espacio entre la parte superior del pistón en su punto muerto superior (PMS) y las válvulas. A este espacio se le conoce como “claro” o “volumen del claro”. • El vapor que ocupa este espacio se le conoce como “vapor  del  del claro”. • Esto implica que no todo el gas se descarga del cilindro al final de la carrera de compresión y una cantidad permanece en él. •

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DIAGRAMA DEL CICLO • Proceso A-B. REEXPANSIÓN. • Pistón parte del punto superior de la carrera o

 punto muerto superior. • Las válvulas de succión permanecen cerradas  por la diferencia de presión entre la tubería de baja presión y el vapor del claro a presión de descarga • Las válvulas de descarga permanecen cerradas por la igualdad de presiones dentro del cilindro y en la tubería de descarga y el  peso de la válvula o la fuerza de un resorte. • Al bajar el pistón, el vapor del claro se expande al aumentar el volumen y reduce su  presión. Ing. Francisco Francisc o Javier Vadillo Vadillo

PMS PMI

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DIAGRAMA DEL CICLO Proceso B-C. ADMISIÓN • La presión del vapor expandido en el cilindro es ligeramente menor a la  presión en la tubería de succión, lo que  permite la apertura de las válvulas de succión y la entrada de refrigerante del sistema. • Éstas permanecerán abiertas hasta que el  pistón alcanza su punto muerto inferior en el punto C. •

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PMS PMI

PMS PMI

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DIAGRAMA DEL CICLO Proceso C-D COMPRESIÓN. • Termina la carrera de succión y empieza la compresión. • Las válvulas de succión y descarga  permanecen cerradas. • Al reducirse el volumen del cilindro el vapor aumenta su presión hasta llegar a ser ligeramente mayor a la presión de la tubería de descarga en el punto D. •

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PMS PMI

PMS PMI

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DIAGRAMA DEL CICLO Proceso D-A DESCARGA. • Se abren las válvulas de descarga por la  presión del vapor que pasa a la tubería. • El flujo continúa hasta que el pistón llega nuevamente al punto muerto superior. • El compresor ha completado un ciclo y el cigüeñal ha dado una vuelta completa de 360°. •

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PMS PMI

PMS PMI

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DESPLAZAMIENTO DEL COMPRESOR El desplazamiento de un compresor reciprocante es el volumen barrido  por el pistón en el cilindro en un intervalo de tiempo. • Para un compresor de acción simple el desplazamiento se calcula con la siguiente expresión: •

•

Vp = Vcilindro * velocidad angular del cigüeñal * número de pistones

•

donde:

     D 2 L   N  n   V  p     4   1728 V p: D: L:  N: n:

Desplazamiento del compresor en pie3/min. diámetro del cilindro en pulgadas. Longitud de la carrera en pulgadas. revoluciones por minuto cigüeñal (RPM) número de pistones Ing. Francisco Javier Vadillo

CAPACIDAD TEÓRICA DEL COMPRESOR Ej. Un compresor de dos cilindros girando a 1450 RPM,  posee una carrera de 2 pulg. y un diámetro de 2.5 pulg. en el cilindro, trabajando con R-12 a temperatura de evaporación de 20° F. • Si el refrigerante esta saturado a la salida del evaporador y el líquido que llega a la válvula de control esta a 100 ° F, calcular: 1. la razón de flujo de masa del refrigerante y 2. la capacidad teórica en BTU/min y ton. •

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Solución Vp =

p(2.5)2 (2) (1450) (2) / (1728 * 4) = 16.48 pie3 / min.

m = Vp / v = 16.48 / 1.121 = 14.70 lb / min. En condición saturada  hl = 31.16, hv = 80.49  ER

= 80.49  –  31.16 = 49.33 BTU/min.

Qe = 14.7 * 49.33 = 725.2 BTU/min Qe = 725.2 / 200 = 3.63 Ton Ing. Francisco Javier Vadillo

CAPACIDAD REAL DEL COMPRESOR •

La capacidad real siempre es menor a la teórica calcula debido a que los siguientes supuestos no son reales:  –  Durante la carrera de bajada el pistón se llena completamente de vapor de la succión.  –  La densidad del vapor entrando es la misma que la de la tubería de succión.  –  Esto no es así por la existencia del claro mecánico y la compresibilidad del gas, el volumen llenado será por lo tanto menor al barrido por el pistón.  –  Además, la densidad del vapor en el cilindro es menor a la de la tubería de succión por la caída de presión y la temperatura del cilindro.  –  La relación entre el volumen real del vapor succionado y el desplazamiento teórico del cilindro se conoce como “eficiencia volumétrica”. Ing. Francisco Javier Vadillo

CAPACIDAD REAL DEL COMPRESOR •

Eficiencia Volumétrica:  –  Durante la carrera de bajada el pistón se llena completamente de vapor de la succión.  –  La densidad del vapor entrando es la misma que la de la tubería de succión.  –  Esto no es así por la existencia del claro mecánico y la compresibilidad del gas, el volumen llenado será por lo tanto menor al barrido por el pistón.  –  Además, la densidad del vapor en el cilindro es menor a la de la tubería de succión por la caída de presión y la temperatura del cilindro.  –  La relación entre el volumen real del vapor succionado y el desplazamiento teórico del cilindro se conoce como “eficiencia volumétrica”. Ing. Francisco Javier Vadillo

CAPACIDAD REAL DEL COMPRESOR V real 

•

La eficiencia Volumétrica

•

Por lo tanto:

•

Entonces: Qreal = QE * Ev

•

Si la Ev del ejemplo anterior es de 76%, entonces: Vreal  16.48 * 0.76 = 12.52 pie3/min Qreal  3.63 * 0.76 = 2.76 ton de refrigeración

V real 



 v



V teórico



 Ev

V teórico  v 

Ing. Francisco Javier Vadillo

FACTORES QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA •

Los factores que limitan el volumen del aspirado son:  –  El claro del compresor : Este reduce el volumen aspirado por la expansión del gas a presión de descarga al final de la carrera de compresión. La eficiencia volumétrica teórica se basa únicamente por el efecto del claro y puede ser calculada por medio de un análisis termodinámico. Si el claro es mayor, existe mas vapor a expandir y el vapor aspirado se reduce.

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FACTORES QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA  –  Otro factor que afecta la eficiencia por parte del claro

es la diferencia de presiones entre la succión y la descarga, a mayor diferencia, mayor expansión para un mismo claro.  –  La relación entre estas presiones se denomina “Relación de compresión”  –  Donde R = Pdescarga (abs) / Psucción (abs).  –  Para el ejemplo anterior R = 131.6 / 35.75 = 3.68.

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FACTORES QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA •

Cont. factores que limitan el volumen del aspirado:  –  La eficiencia volumétrica  es inversamente  proporcional al espacio del claro y a la relación de compresión.  –  Efecto del estrangulamiento : La fricción causa caída de presión en las válvulas y por lo tanto, una presión dentro del cilindro menor a la de la tubería de succión,  por lo que el gas se debe expandir más.  –  Esto depende de: • La velocidad del vapor entrando al cilindro, es decir, las RPM del compresor. • El tipo de refrigerante (viscosidad) • El diseño de las válvulas. Ing. Francisco Javier Vadillo

FACTORES QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA  –  Calentamiento

del cilindro : La fricción genera calor y permite que el gas se expanda más al entrar, reduciendo su densidad y por lo tanto, la masa entrando al cilindro. Esto aumenta con la relación de compresión.  –  Fugas en el pistón y válvulas : Siempre existirá algún grado de imperfección en la fabricación de las piezas o desgaste por uso entre pistón, anillos y camisa del cilindro, lo que permite una pequeña fuga de vapor del cilindro al cárter.

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Determinación de la Eficiencia Volumétrica La combinación de estos factores no permite una predicción teórica y se obtiene exactitud solo con  pruebas de laboratorio. DOSSAT Tabla 12-4 Ev para valores de R dados en compresores reciprocantes entre 5 y 25 HP. En compresores >25HP, Ev>; En compresores < 5HP, Ev