Introducción a la refrigeración

Los sistemas de refrigeración son omnipresentes y tienen un enorme impacto en nuestro día a día. Cada vez que almacena alimentos en el refrigerador o congelador, o enciende el aire acondicionado, está utilizando sistemas de refrigeración. Fundamentalmente, la tarea de estos sistemas es eliminar el calor de un depósito frío y depositarlo en un depósito caliente, en contra de la dirección natural del flujo de calor. La tecnología dominante empleada para lograr esto es el ciclo de compresión de vapor. Este video ilustrará cómo funciona el ciclo de compresión de vapor y luego demostrará cómo se usa en un simple sistema de refrigeración bombeado a mano. Al final, se discutirán algunas aplicaciones adicionales.

El ciclo de compresión de vapor es un ciclo termodinámico realizado en un fluido de trabajo, o refrigerante, de modo que el calor fluirá hacia el refrigerante desde el depósito frío y desde el refrigerante hasta el depósito caliente. Esto requiere la circulación mecánica del refrigerante, así como transiciones coordinadas de su estado termodinámico. El ciclo aprovecha la cúpula de vapor, una región del espacio de fase del refrigerante que se puede ver en los diagramas de entropía de temperatura y entalpía de presión. En estos diagramas, la región izquierda indica la fase líquida, que está parcialmente delimitada por la línea de líquido saturado, y la región derecha indica la fase de vapor, que está delimitada de manera similar por la línea de vapor saturado. Las líneas de saturación se encuentran en el punto crítico, por encima del cual el fluido es súper crítico. Entre las líneas de saturación, el fluido es bifásico y la temperatura es una función de la presión, como lo indican las isotermas en el diagrama de entalpía de presión. En esta región, la temperatura y la presión no pueden variarse de forma independiente, por lo que cada valor de presión especifica una temperatura. Por lo tanto, la temperatura de una mezcla bifásica se puede ajustar cambiando la presión. Con esto en mente, examinemos el ciclo de compresión de vapor. A modo ilustrativo, supongamos que el R-134a es el refrigerante y un caudal másico de 0,01 kilogramos por segundo. Hay cuatro etapas en el ciclo: compresión, condensación, expansión y evaporación. Cada uno describe una transición entre los puntos de permanencia clave del refrigerante. Durante la compresión, el vapor a baja presión ingresa al compresor y la entrada de trabajo al compresor se utiliza para presurizar el refrigerante. Después de salir del compresor, el vapor de alta presión pasa al condensador, aquí, el calor se rechaza al depósito caliente circundante a medida que el refrigerante se condensa isobáricamente. El refrigerante de alta presión, ahora en fase líquida, fluye a través de un dispositivo de expansión de estrangulamiento. El líquido se expande isentrópicamente al pasar, y a medida que su presión cae, parpadea a un estado de dos fases y cae a una temperatura más baja. En la última etapa, el refrigerante de baja temperatura ingresa al evaporador y absorbe el calor del depósito frío. Esto impulsa la evaporación isobárica a medida que el refrigerante fluye a través de él. El ciclo se completa cuando el vapor de refrigerante a baja presión regresa al compresor. En este ejemplo, la capacidad de enfriamiento del evaporador es de 1,67 kilovatios y la entrada de trabajo del compresor es de 0,31 kilovatios, por lo que el coeficiente de rendimiento, o eficiencia del sistema, es 5,4. Ahora que entiendes cómo funciona el ciclo, construyamos y analicemos un refrigerador simple para mostrar estos principios en acción.

Precaución, este experimento involucra sistemas a presiones elevadas y el uso de refrigerantes, que pueden ser peligrosos a altas concentraciones. Siga siempre las precauciones de seguridad razonables y use el equipo de protección personal adecuado. Asegure una ventilación adecuada cuando trabaje con refrigerantes. Comience la construcción del sistema de refrigerador con el compresor de vapor. Instale una válvula Schrader en un puerto de un cilindro neumático de doble acción y luego conecte una T de instalación de tubería al otro puerto. Coloque válvulas de retención en los dos puertos restantes de la T, de modo que uno apunte hacia adentro y el otro hacia afuera. Esta configuración permitirá que el refrigerante sea aspirado desde el evaporador y expulsado al condensador a alta presión. El compresor será accionado por una bomba de pie de bicicleta de alta presión modificada. Retire el componente de la válvula de retención de cordón de goma de la tubería de la bomba de bicicleta. Esto permitirá que el compresor se expanda y aspire refrigerante entre las carreras de bombeo. Instale T de accesorios de tubería con manómetros a ambos lados del compresor, de modo que se pueda controlar la presión aguas arriba y aguas abajo. Los accesorios en T están conectados a través de válvulas de retención, que solo permiten el flujo en una dirección. Cuando el pistón está extendido, la válvula de retención izquierda permite la entrada del evaporador de baja presión al volumen del compresor. Cuando se presiona el pistón, el vapor se presuriza y se fuerza a través de la válvula de retención derecha al condensador de alta presión. Al ciclar el pistón, se puede extraer una corriente continua de vapor a baja presión del evaporador y entregarla al condensador a alta presión. La siguiente etapa del sistema es el condensador, que construiremos a partir de un trozo de tubería de aluminio. Forme una bobina con el tubo, envolviéndolo alrededor de un núcleo de goma rígida de 2,5 centímetros de diámetro durante cuatro vueltas, y luego, use un accesorio de compresión para conectar un extremo al puerto abierto de la T, aguas abajo del compresor. Asegúrese de instalar y apretar los accesorios según las pautas del fabricante. A continuación, instale una longitud corta de tubería de PVC transparente entre dos codos de tubería reductora. Esto actuará como depósito para el refrigerante de alta presión, conectado a la salida de la tubería del condensador con otro accesorio de compresión. La siguiente etapa es el expansor, pero este también es un lugar conveniente para agregar un puerto de carga para llenar y drenar refrigerante. Construya el puerto de carga combinando un conector de conexión abocinada A.N.S.A.E. con una válvula de bola y otra T de tubería. Conecte una válvula de aguja a un lado de la T de la tubería para el dispositivo de expansión. Finalmente, use otra sección de tubería de aluminio para conectar el tercer puerto de la tubería en T al punto bajo del depósito. La única sección que queda es el evaporador. Forme una segunda bobina de tubo de aluminio utilizando la misma técnica que antes, y conéctela entre la salida de la válvula de aguja y la entrada del compresor, para completar el circuito de refrigeración. Ahora que el sistema está ensamblado, llénelo con aire comprimido a través del puerto de carga para verificar si hay fugas. Use un rociador de agua jabonosa para identificar cualquier conexión con fugas y haga las reparaciones necesarias. Finalmente, conecte los termopares a las bobinas del condensador y del evaporador para medir la temperatura. Ahora está listo para cargar y operar el refrigerador.

La carga es un proceso de dos pasos. Primero se evacua el aire del sistema y luego se agrega refrigerante. Conecte el puerto central de un colector de carga de refrigerante al puerto de carga del refrigerador. Luego conecte una bomba de vacío al puerto de baja presión del colector y una lata de refrigerante al puerto de alta presión. Cierre todas las válvulas y luego encienda la bomba de vacío. Abra gradualmente todas las válvulas del sistema para evacuar el aire del sistema. Después de que el aire haya sido evacuado del sistema, abra brevemente la válvula del cartucho de refrigerante para limpiar el aire de la línea de refrigerante y luego vuelva a cerrarla. Ahora que se ha evacuado todo el aire, aísle la bomba de vacío cerrando el puerto de baja presión en el colector de carga de refrigerante. Invierta el recipiente de refrigerante e inyecte refrigerante líquido en el sistema hasta que el nivel en el depósito de alta presión esté ligeramente por encima del nivel de la válvula de aguja. El último paso es ajustar la válvula de aguja hasta que esté apenas abierta y luego conectar la manguera de la bomba de bicicleta a la válvula Schrader del compresor. Opere el refrigerador bombeando la bomba de bicicleta, mientras lo hace, realice un seguimiento de las presiones laterales altas y bajas, así como de las temperaturas del evaporador y el condensador. Cuando se alcancen las condiciones de estado estacionario, registre estos valores de presiones y temperatura. Si los manómetros informan de la presión manométrica, es decir, la presión relativa a la atmósfera, convierta las lecturas en presión absoluta añadiendo una atmósfera a la lectura.

Eche un vistazo a los resultados de rendimiento de su refrigerador. En primer lugar, compare las temperaturas medidas con las temperaturas de saturación correspondientes del refrigerante a las presiones bajas y altas medidas. En este caso, las medidas coinciden estrechamente. La discrepancia de la temperatura del evaporador puede deberse a la transferencia de calor del aire ambiente al exterior del termopar. La temperatura del condensador coincide dentro de la tolerancia experimental, pero también podría parecer más cálida de lo esperado si el termopar se coloca demasiado cerca de la parte sobrecalentada del condensador. Finalice el análisis indicando los puntos de estado y las curvas de conexión aproximadas en los diagramas de entropía de temperatura y entalpía de presión. Puede ver que el sistema simple produce un rendimiento limitado con baja capacidad de enfriamiento y baja elevación, en comparación con los sistemas comerciales. Dado que gran parte del trabajo de entrada se gasta en comprimir aire en la bomba de la bicicleta, el rendimiento podría mejorarse con un refrigerante de menor presión. Además, sería beneficioso usar una válvula de expansión que pueda mantener una diferencia de presión mayor. La mayoría de los sistemas comerciales emplean una válvula de expansión con control de temperatura, que ajusta dinámicamente su apertura para mantener la temperatura deseada del evaporador. Ahora que hemos analizado el proceso básico, veamos algunas otras aplicaciones típicas.

El ciclo de compresión de vapor es la tecnología de refrigeración dominante utilizada en muchos dispositivos comunes. La termogestión de la electrónica se ha vuelto cada vez más importante a medida que el tamaño de los componentes ha disminuido constantemente, mientras que las demandas de potencia y velocidad han crecido. El enfriamiento de supercomputadoras y otros dispositivos electrónicos de alta potencia que utilizan el ciclo de compresión de vapor tiene muchas ventajas sobre otras tecnologías. El ciclo de compresión de vapor también se puede utilizar como bomba de calor. En este modo, el calor se adquiere en el evaporador desde un entorno de baja temperatura y luego se entrega a un espacio acondicionado más cálido. Este puede ser un modo eficiente de calefacción en comparación con el calentamiento por resistencia directa, ya que la mayor parte del calor suministrado se extrae del entorno y solo una pequeña parte se suministra al compresor como trabajo mecánico.

Acabas de ver la introducción de Jove a la refrigeración y la cúpula de vapor. Ahora debe comprender cómo se implementa el ciclo de compresión de vapor en los sistemas de refrigeración y cómo analizar el rendimiento utilizando diagramas de entropía de temperatura y entalpía de presión. Gracias por mirar.