Presentación 4
Presentación 4
ELEMENTOS DE LA
ELEMENTOS DE LA
REFRIGERACIÓN MECÁNICA
REFRIGERACIÓN MECÁNICA
El compresor
El compresor
Elementos de la Refrigeración Mecánica
Elementos de la Refrigeración Mecánica
A A B B CC D D condensador condensador evaporador evaporador compresor compresor Dispositivo Dispositivo de expansión de expansión
Elementos de la Refrigeración Mecánica
Elementos de la Refrigeración Mecánica
A A B B CC D D condensador condensador evaporador evaporador compresor compresor Dispositivo Dispositivo de expansión de expansión
EL COMPRESOR
EL COMPRESOR
•• El compresor constituye el corazón del sistema deEl compresor constituye el corazón del sistema de
refrigeración, se encarga de producir la diferencia de refrigeración, se encarga de producir la diferencia de presiones y el flujo de refrigerante
presiones y el flujo de refrigerante en las tuberías.en las tuberías.
•• En cuanto a costos, el compresor constituye un poco más delEn cuanto a costos, el compresor constituye un poco más del
50% del valor inicial total del equipo de refrigeración y 50% del valor inicial total del equipo de refrigeración y aproximadamente un 95% del consumo de potencia de aproximadamente un 95% del consumo de potencia de funcionamiento.
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.
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
TIPOS DE COMPRESORES
•Los compresores
pueden ser:
–Dinámicos
o
centrífugos.
–De
desplazamiento
positivo
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
COMPRESORES
CENTRÍFUGOS
SE USAN EN APLICACIONES DE GRAN TAMAÑO.
DE MUY ALTA EFECIENCIA Y RELATIVAMENTE SILENCIOSOS
POCO COSTO ELEVADO Y REQUIERE ESPACIO.
SE UTILIZAN MUCHO EN EL ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS EN CICLOS SATURADOS
COMPRESORES
CENTRÍFUGOS
DESCARGA SUCCIÓN IMPULSOR ÁLABES DIRECCIÓNCOMPRESORES 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
COMPRESORES ROTATIVOS
•
Los rotativos se clasifican en cuatro tipos:
–Tipo scroll
–
de pistón rodante
–de paletas y
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.
Su funcionamiento se logra al girar una pieza
tipo espiral (scroll) dentro de otra fija.
COMPRESORES PISTÓN
RODANTE
Compresor de pistón rodante
TAMBIÉN SON SILENCIOSOS Y EFICIENTES
REDUCEN GRADUALMENTE EL VOLUMEN AL GIRAR UN PISTÓN DENTRO DEL CILINDRO.
COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES Y SIMILAR A LOS
“SCROLL”
SE UTILIZAN EN APLICACIONES COMERCIALES PEQUEÑAS
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.
• 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.
COMPRESORES TIPO
TORNILLO
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
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.
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.
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.
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.
Comparación entre las válvulas de
compresores reciprocantes
•
Convencional
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.
COMPRESORES TIPO ABIERTO
1) Pistón 2) Bomba de aceite 3) Carcaza 4) Anillos de compresión 5) Buje 6) Polea 7) Plato de válvulasCOMPRESORES ABIERTOS
• Pueden ser de acople directo (coupling) o de acople por
poleas y fajas.
• Este último acople permite modificar la velocidad del
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
EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS
COMPRESORES RECIPROCANTES
1. VAPOR SOBRECALENTADO A PRESIÓN BAJA (DE
SUCCIÓN) 2. VÁLVULA DE SUCCIÓN. 3. CLARO 4. VÁLVULA DE DESCARGA 5. VAPOR SOBRECALENTADO A PRESIÓN ALTA
Compresor reciprocante
Funciona al empujar un pistón dentro de un cilindro 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.EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS
EL CICLO TERMODINÁMICO DE LOS
COMPRESORES RECIPROCANTES
COMPRESORES RECIPROCANTES
••
El movimiento de un pistón crea una diferencia de
El movimiento de un pistón crea una diferencia de
volúmenes entre su punto inferior de carrera y el
volúmenes entre su punto inferior de carrera y el
superior.
superior.
••
Durante su carrera de succión, vapor de baja
Durante su carrera de succión, vapor de baja
presión
presión entra
entra por
por un
un juego
juego de
de válvulas
válvulas hacia
hacia el
el
cilindro.
cilindro. Durante
Durante la
la carrera
carrera de
de descarga,
descarga, el
el pistón
pistón
se mueve en sentido contrario y reduce el volumen
se mueve en sentido contrario y reduce el volumen
del cilindro, comprimiendo el gas para luego
del cilindro, comprimiendo el gas para luego
descargarlo en el cabezal del compresor.
••
Para evitar que la cabeza del pistón choque contra
Para evitar que la cabeza del pistón choque contra
el plato de válvulas, se requiere de un espacio
el plato de válvulas, se requiere de un espacio
entre la parte superior del pistón en su punto
entre la parte superior del pistón en su punto
muerto
muerto superior
superior (PMS)
(PMS) y
y las
las válvulas.
válvulas. A
A este
este
espacio se le conoce como
espacio se le conoce como
“claro”“claro”oo
“volumen“volumendel
del
claro”claro”..
••
El vapor que ocupa este espacio se
El vapor que ocupa este espacio se le conoce como
le conoce como
“vapor“vapor
del
del
claro”claro”..
••
Esto implica que no todo el gas se descarga del
Esto implica que no todo el gas se descarga del
cilindro al final de la carrera de compresión y una
cilindro al final de la carrera de compresión y una
cantidad permanece en él.
•• Proceso A-B. REEXPANSIÓN.Proceso A-B. REEXPANSIÓN.
•• Pistón parte del punto superior de la carrera oPistón parte del punto superior de la carrera o
punto muerto superior. punto muerto superior.
•• Las válvulas de succión permanecen cerradasLas válvulas de succión permanecen cerradas
por
por la la diferencia diferencia de de presión presión entre entre la la tuberíatubería de baja presión y el vapor del claro a presión de baja presión y el vapor del claro a presión de descarga
de descarga
•• Las válvulas de descarga permanecenLas válvulas de descarga permanecen
cerradas por la igualdad de presiones dentro cerradas por la igualdad de presiones dentro del cilindro y en la tubería de descarga y el del cilindro y en la tubería de descarga y el peso de la válvula o la fuerza de un resorte. peso de la válvula o la fuerza de un resorte.
•• Al bajar el pistón, el vapor del claro seAl bajar el pistón, el vapor del claro se
expande al aumentar el volumen y reduce su expande al aumentar el volumen y reduce su presión.
presión.
DIAGRAMA DEL CICLO
DIAGRAMA DEL CICLO
PMS PMI
• 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.
PMS
PMI PMS
• 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.
PMS
PMI PMS
• 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°.
PMS
PMI PMS
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:
V p: Desplazamiento del compresor en pie3/min.
D: diámetro del cilindro en pulgadas. L: Longitud de la carrera en pulgadas.
N: revoluciones por minuto cigüeñal (RPM) n: número de pistones 1728 4 2 n N L D V p
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.
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 TonCAPACIDAD 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
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”.
CAPACIDAD REAL DEL
COMPRESOR
• 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
Ev V V teórico real v v teórico real V V
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.
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).
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)
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.
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 <.
VARIACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL
COMPRESOR CON LA TEMPERATURA
DE SUCCIÓN
• El rendimiento del compresor y la eficiencia
del ciclo varían con las condiciones de operación.
• El factor más importante es la temperatura de
vaporización del líquido en el evaporador (temperatura de succión) y se debe a la diferencia de densidades del vapor a la entrada del compresor.
VARIACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL
COMPRESOR CON LA TEMPERATURA DE
SUCCIÓN
• A mayor temperatura, mayor densidad y mayor flujo
másico por volumen desplazado.
• Además del aumento de densidad, un porcentaje adicional
de capacidad se gana por el incremento del E.R.
• En la realidad, estas diferencias están aun más marcadas ya
que el cambio de temperatura de succión también modifica la relación de compresión y, por ende, la eficiencia volumétrica: a mayor temperatura de succión, menor relación de compresión y mayor eficiencia volumétrica.
EFECTO DE LA TEMPERATURA DE
CONDENSACIÓN EN LA CAPACIDAD
DEL COMPRESOR
• La capacidad del compresor se reduce cuando la
temperatura de condensación sube, ya que la Relación de compresión sube y la eficiencia volumétrica baja.
• Adicionalmente, el efecto refrigerante disminuye por
existir un mayor porcentaje de refrigerante que se evapora súbitamente y la temperatura del cilindro afecta la eficiencia volumétrica.
• Las presiones de descarga altas generan mayores
temperaturas, lo cual puede generar la formación de ácido y carboniza el lubricante. Esto es más serio a temperaturas
Potencia necesaria del compresor
• La potencia necesaria se obtiene multiplicando la capacidad
refrigerante real del compresor en ton por la potencia teórica necesaria unitaria a las condiciones de operación dadas en HP.
• En el ejemplo:
– Capacidad real en toneladas = 2.76 ton
– Capacidad teórica unitaria para 20° F en succión y 100° F
condensación = 0.965 HP/ton
– E.R. = 49.33 BTU/lb (Efecto Refrigerante) – m = 4.05 lb/min (flujo másico)
– v = 1.121 pie3/lb (volumen específico) – V = 4.55 pie3/min (Desplazamiento)
– C.C. = 10.11 BTU/lb (Calor de Compresión) – Cdr = 4.88
• Capacidad necesaria = 2.76 ton * 0.965 HP/ton = 2.66 HP Potencia
necesaria para impulsar el compresor. NOTA: Usar la capacidad de refrigerante real y no la teórica.
VARIACIÓN DE LA POTENCIA DEL
COMPRESOR CON LA TEMPERATURA DE
SUCCION Y CONDENSACIÓN
• Aunque la potencia necesaria por unidad de capacidad refrigerante
disminuye si la temperatura de succión baja, la potencia total del compresor puede subir o bajar si el trabajo total aumenta o disminuye.
• Esto es función del trabajo de compresión por unidad de masa de vapor
comprimido y de la masa de vapor comprimido.
• El primero varía con la relación de compresión, por lo que si la
Tsucción sube y la Tcond. se mantiene, el Calor de compresión baja; sin embargo, la densidad se incrementa y el flujo másico demanda una mayor potencia para mover el pistón.
• Si la Tsucción se mantiene constante y la Tcond sube, la potencia
teórica aumenta, el volumen específico se mantiene constante y la temperatura de descarga aumenta.
REQUERIMIENTO REAL DE POTENCIA
• La potencia suministrada al eje (flecha) del compresor se le
llama “Potencia en la flecha” y puede obtenerse a partir de
la potencia teórica con la aplicación de un factor llamada eficiencia total:
• ntotal = P teórica / P flecha = Eo
• Por lo que P flecha = P teórica / Eo
– Si la eficiencia de la flecha en el ejemplo es del 80%,
– flecha = 2.66/0.8 = 3.33 HP potencia suministrada al
REQUERIMIENTO REAL DE POTENCIA
• La Eo = Em * Ec = La eficiencia mecánica * la eficiencia
de compresión.
• La Ec depende del estrangulamiento, el intercambio de
calor entre el cilindro y el gas, la fricción del refrigerante que causa caída de presión y calentamiento y del hecho que el refrigerante no es un gas ideal. La Ec es muy aproximada a la Ev.
• La Em depende de la razón de pérdidas por fricción entre
REQUERIMIENTO REAL DE POTENCIA
• La potencia de la flecha se puede obtener además
utilizando la siguiente expresión con una exactitud razonable:
• Debido a que los diferentes factores que intervienen en el
cálculo de la eficiencia mecánica son difíciles de estimar y evaluar matemáticamente, este valor se obtiene solamente con pruebas reales de laboratorio.
v compresión c m P flecha 42 . 42 . 1 . 1
Control de carga en compresores
• Algunos modelos de compresores con potencia arriba de
10 HP y con tres o más pistones, utilizan sistemas de descarga para reducir el consumo de potencia y energía durante su operación.
• El sistema consiste en crear un by-pass o canal de
comunicación entre la succión y la descarga de uno o más pistones del compresor.
• De esta forma, cuando el compresor funciona, el pistón
“descargado” no comprime y no demanda la misma
potencia ni produce el mismo desplazamiento de refrigerante.
SISTEMAS EN PARALELO O
TANDEM
• Para maximizar la eficiencia de los sistemas reciprocantes
de gran tamaño, se prefiere instalar varios equipos pequeños en paralelo en lugar de uno solo de la capacidad
total.
• En estos sistemas, los compresores operan a la misma
presión de succión y descargan a un mániful común de descarga.
• Al apagar y encender las unidades se controla la carga
ALGUNAS FALLAS EN COMPRESORES RECIPROCANTES
PLATOS DE VALVULAS DAÑADOS
LODOS Y ACIDEZ DEL ACEITE LUBRICANTE
PISTONES ROTOS O DETERIORADOS
