El término subenfriamiento (también llamado subenfriamiento ) se refiere a un líquido existente a una temperatura por debajo de su normal de punto de ebullición . Por ejemplo, el agua hierve a 373 K; a temperatura ambiente (293 K), el agua se denomina "subenfriada". Un líquido subenfriado es el estado conveniente en el que, por ejemplo, los refrigerantes pueden pasar por las etapas restantes de un ciclo de refrigeración . [1] Normalmente, un sistema de refrigeración tiene una etapa de subenfriamiento, lo que permite a los técnicos estar seguros de que la calidad en la que el refrigerante llega al siguiente paso del ciclo es la deseada. El subenfriamiento puede tener lugar en intercambiadores de calor y fuera de ellos. Siendo ambos procesos similares e inversos, subenfriamiento yel sobrecalentamiento es importante para determinar la estabilidad y el buen funcionamiento de un sistema de refrigeración. [2]
Aplicaciones
Funcionamiento de la válvula de expansión y seguridad del compresor
El subenfriamiento se usa normalmente para que cuando el refrigerante llegue a la válvula de expansión termostática, todo esté en su forma líquida , permitiendo así que la válvula funcione correctamente. Si el gas llega a la válvula de expansión, pueden ocurrir una serie de fenómenos no deseados. [3] Estos pueden terminar conduciendo a comportamientos similares a los observados con los fenómenos de flash-gas : problemas en la regulación del petróleo a lo largo del ciclo; [4] mal uso excesivo e innecesario de energía y desperdicio de electricidad ; mal funcionamiento y deterioro de varios componentes de la instalación; funcionamiento irregular de los sistemas generales y, en una situación sin vigilancia, equipo arruinado.
Otra aplicación importante y común del subenfriamiento es su uso indirecto en el proceso de sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento es análogo al subenfriamiento de forma operativa, y ambos procesos se pueden acoplar mediante un intercambiador de calor interno. El subenfriamiento aquí se sirve del sobrecalentamiento y viceversa, permitiendo que el calor fluya del refrigerante a una presión más alta (líquido), al que tiene una presión más baja (gas). Esto crea una equivalencia energética entre los fenómenos de subenfriamiento y sobrecalentamiento cuando no hay pérdida de energía . Normalmente, el fluido que se subenfría está más caliente que el refrigerante que se sobrecalienta, lo que permite un flujo de energía en la dirección necesaria. El sobrecalentamiento es crítico para el funcionamiento de los compresores porque un sistema que carece de él puede proporcionar al compresor una mezcla de gas líquido , situación que generalmente conduce a la destrucción del compresor de gas porque el líquido es incompresible. Esto hace que el subenfriamiento sea una fuente de calor fácil y generalizada para el proceso de sobrecalentamiento.
Optimización del sistema y ahorro energético
Permitir que el proceso de subenfriamiento ocurra fuera del condensador (como con un intercambiador de calor interno) es un método para utilizar toda la capacidad de intercambio de calor del dispositivo de condensación . Una gran parte de los sistemas de refrigeración utilizan parte del condensador para el subenfriamiento que, aunque muy eficaz y simple, puede considerarse un factor de disminución de la capacidad de condensación nominal. Se puede encontrar una situación similar con el sobrecalentamiento que tiene lugar en el evaporador, por lo que un intercambiador de calor interno es una solución buena y relativamente barata para maximizar la capacidad de intercambio de calor .
Otra aplicación generalizada del subenfriamiento es potenciar y economizar . Inversamente al sobrecalentamiento, subenfriamiento o la cantidad de calor extraído del refrigerante líquido en el proceso de subenfriamiento, se manifiesta como un aumento en la capacidad de refrigeración del sistema. Esto significa que cualquier eliminación de calor adicional después de la condensación (subenfriamiento) permite una mayor proporción de absorción de calor en las etapas posteriores del ciclo . El sobrecalentamiento tiene exactamente el efecto inverso. Un intercambiador de calor interno por sí solo no puede aumentar la capacidad del sistema porque el efecto de refuerzo del subenfriamiento es atenuado por el sobrecalentamiento, lo que hace que la ganancia de capacidad neta sea igual a cero. Algunos sistemas pueden mover refrigerante y / o eliminar calor usando menos energía porque lo hacen en fluidos de alta presión que luego enfrían o subenfrían fluidos de baja presión (que son más difíciles de enfriar).
Subenfriamiento natural y artificial
El proceso de subenfriamiento puede ocurrir de muchas formas diferentes; por tanto, es posible distinguir entre las distintas partes en las que se desarrolla el proceso. Normalmente, subenfriamiento se refiere a la magnitud de la caída de temperatura que se puede medir fácilmente, pero es posible hablar de subenfriamiento en términos del calor total que se elimina. El subenfriamiento más conocido es el subenfriamiento del condensador , que generalmente se conoce como la caída de temperatura total que tiene lugar dentro del condensador, inmediatamente después de que el fluido se ha condensado totalmente, hasta que sale de la unidad de condensación.
El subenfriamiento del condensador difiere del subenfriamiento total generalmente porque después del condensador, en toda la tubería, el refrigerante naturalmente tiende a enfriarse aún más, antes de llegar a la válvula de expansión, pero también debido al subenfriamiento artificial . [3] El subenfriamiento total es la caída total de temperatura que sufre el refrigerante desde su temperatura de condensación real, hasta la temperatura del concreto que tiene al llegar a la válvula de expansión: este es el subenfriamiento efectivo.
El subenfriamiento natural es el nombre que normalmente se le da a la caída de temperatura producida dentro del condensador (subenfriamiento del condensador), combinada con la caída de temperatura que ocurre solo a través de la tubería, excluyendo cualquier intercambiador de calor de cualquier tipo. Cuando no hay subenfriamiento mecánico ( es decir, un intercambiador de calor interno), el subenfriamiento natural debe ser igual al subenfriamiento total. [5] Por otro lado, el subenfriamiento mecánico es la temperatura que se reduce mediante cualquier proceso artificial que se coloca deliberadamente para crear un subenfriamiento. [1] Este concepto se refiere principalmente a dispositivos como intercambiadores de calor internos, cascadas de subenfriamiento independientes, economizadores o impulsores.
Economizador y eficiencia energética
Los fenómenos de subenfriamiento están íntimamente relacionados con la eficiencia de los sistemas de refrigeración. Esto ha llevado a mucha investigación en el campo. La mayor parte del interés radica en el hecho de que algunos sistemas funcionan en mejores condiciones que otros debido a presiones de funcionamiento mejores (más altas), y los compresores que forman parte de un circuito de subenfriamiento suelen ser más eficientes que los compresores que tienen su líquido subenfriado. .
Se están construyendo compresores de tornillo con capacidad economizadora, [6] que requieren una especial delicadeza de fabricación. Estos sistemas son capaces de inyectar refrigerante que proviene de un intercambiador de calor interno en lugar del evaporador principal, en la última porción de los tornillos de compresión. [ cita requerida ] En el intercambiador de calor mencionado, el líquido refrigerante a alta presión se subenfría, lo que produce un subenfriamiento mecánico. También se está construyendo una gran cantidad de sistemas en pantalla de refuerzo. Esto es similar a economizar, ya que se sabe que la eficiencia del compresor de uno de los compresores (el que trabaja con presiones más altas) es mejor que el del otro (los compresores que trabajan con presiones más bajas). Los economizadores y los sistemas de refuerzo generalmente se diferencian en el hecho de que los primeros pueden hacer el mismo subenfriamiento usando solo un compresor capaz de economizar, los últimos sistemas deben hacer el proceso con dos compresores separados.
Además de potenciar y economizar, es posible producir sistemas de subenfriamiento en cascada, capaces de subenfriar el líquido con un sistema análogo y separado. Este procedimiento es complejo y costoso ya que implica el uso de un sistema completo (con compresores y todo el equipo) solo para subenfriamiento. Aún así, la idea ha suscitado cierta investigación ya que hay algunos supuestos beneficios. Además, el Departamento de Energía de los Estados Unidos emitió una Alerta Tecnológica Federal que menciona el subenfriamiento del refrigerante como una forma confiable de mejorar el rendimiento de los sistemas y ahorrar energía. [7] Hacer este tipo de sistema operativamente independiente del sistema principal y comercialmente posible está sujeto a estudio debido a las afirmaciones mencionadas. No se sabe que la separación de la unidad de subenfriamiento del ciclo principal (en términos de diseño) sea una alternativa económicamente viable. Este tipo de sistema generalmente requiere el uso de costosos sistemas de control electrónico para monitorear las condiciones termodinámicas del fluido. Recientemente, se ha desarrollado en Chile un producto capaz de incrementar la capacidad del sistema agregando subenfriamiento mecánico a cualquier sistema de refrigeración genérico inespecífico . [8]
El principio de subenfriamiento detrás de todas estas aplicaciones es el hecho de que, en términos de transferencia de calor, todo el subenfriamiento se agrega directamente a la capacidad de enfriamiento del refrigerante (ya que el sobrecalentamiento se deduciría directamente). Como los compresores que están subenfriando trabajan en estas condiciones más fáciles , una presión más alta hace que sus ciclos de refrigerante sean más eficientes y el calor extraído por este medio, más barato que el extraído por el sistema principal, en términos de energía.
Sistemas de dióxido de carbono transcrítico
En un sistema de refrigeración común , el refrigerante experimenta cambios de fase de gas a líquido y de líquido a gas. Esto permite considerar y discutir los fenómenos de sobrecalentamiento y subenfriamiento, principalmente porque el gas debe enfriarse para convertirse en líquido y el líquido debe calentarse nuevamente para convertirse en gas. Como hay pocas posibilidades de completar esto para la totalidad del refrigerante que fluye sin subenfriamiento o sobrecalentamiento, en la refrigeración convencional por compresión de vapor ambos procesos son inevitables y siempre aparecen.
Por otro lado, los sistemas transcríticos hacen que el refrigerante pase por otro estado de la materia durante el ciclo. En particular, el refrigerante (generalmente dióxido de carbono ) no pasa por un proceso de condensación regular, sino que pasa por un enfriador de gas en una fase supercrítica . Hablar de temperatura de condensación y subenfriamiento en estas condiciones no es del todo posible. Hay mucha investigación real sobre este tema en relación con múltiples procesos por etapas, eyectores , expansores y varios otros dispositivos y actualizaciones. Gustav Lorentzen describió algunas modificaciones al ciclo, incluido el subenfriamiento interno en dos etapas para este tipo de sistemas. [9] Debido a la naturaleza particular de estos sistemas, el tema del subenfriamiento debe tratarse en consecuencia, teniendo en cuenta que las condiciones del fluido que sale del enfriador de gas en sistemas supercríticos, deben especificarse directamente usando temperatura y presión. [10]
Ver también
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Referencias
- ^ a b Ibrahim Dinçer, Sistemas y aplicaciones de refrigeración. John Wiley & Sons, segunda edición, 2010, págs. 169-170. [1]
- ^ Emerson Climate Technologies, factores a considerar al convertir la capacidad nominal del compresor en capacidad real. Diciembre de 2002, página 1. [2]
- ^ a b Acceda a mi biblioteca, ¿qué importancia tiene el subenfriamiento líquido?
- ^ Kotza International, El problema de Flash-Gas
- ^ Copeland Scrolls, compresores scroll con inyección de vapor para bombas de calor dedicadas. Página 6. [3]
- ^ Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Gama de productos Bitzer A-201-2. Agosto de 2008, página 4.
- ^ Departamento de energía de Estados Unidos de América, Alerta de tecnología federal: Subenfriamiento de refrigerante. Biblioteca Nacional del Noroeste del Pacífico, noviembre de 1995.
- ^ Investigación de luces de carretera, inventor chileno desarrolla un sistema eléctrico compacto autónomo universal. [4]
- ^ Jahar Sarkar, Revisión sobre modificaciones de ciclo de sistemas de bomba de calor y refrigeración con CO2 transcrítico. Página 1.
- ^ División de refrigeración y aire acondicionado de Danfoss, sistemas de refrigeración transcrítica con dióxido de carbono. Julio de 2008, página 8.