La refrigeración por compresión de vapor o sistema de refrigeración por compresión de vapor ( VCRS ), [1] en el que el refrigerante sufre cambios de fase , es uno de los muchos ciclos de refrigeración y es el método más utilizado para el aire acondicionado de edificios y automóviles. También se utiliza en refrigeradores domésticos y comerciales , almacenes a gran escala para el almacenamiento refrigerado o congelado de alimentos y carnes, camiones refrigerados y vagones de ferrocarril, y una gran cantidad de otros servicios comerciales e industriales. Las refinerías de petróleo , las plantas de procesamiento petroquímico y químico y las plantas de procesamiento de gas natural se encuentran entre los muchos tipos de plantas industriales que a menudo utilizan grandes sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Los sistemas de refrigeración en cascada también se pueden implementar utilizando dos compresores.
La refrigeración puede definirse como la reducción de la temperatura de un espacio cerrado extrayendo calor de ese espacio y transfiriéndolo a otro lugar. Un dispositivo que realiza esta función también puede denominarse aire acondicionado , refrigerador , bomba de calor de fuente de aire , bomba de calor geotérmica o enfriador ( bomba de calor ).
La compresión de vapor utiliza un refrigerante líquido circulante como medio que absorbe y elimina el calor del espacio que se va a enfriar y posteriormente rechaza ese calor en otro lugar. La Figura 1 muestra un sistema típico de compresión de vapor de una sola etapa. Todos estos sistemas tienen cuatro componentes: un compresor , un condensador , un dispositivo de medición o válvula de expansión térmica (también llamada válvula de mariposa ) y un evaporador. El refrigerante circulante ingresa al compresor en el estado termodinámico conocido como vapor saturado [2] y se comprime a una presión más alta, lo que también da como resultado una temperatura más alta. El vapor caliente y comprimido se encuentra entonces en el estado termodinámico conocido como vapor sobrecalentado y está a una temperatura y presión a las que se puede condensar con agua de enfriamiento o aire de enfriamiento que fluye a través del serpentín o los tubos.
El vapor sobrecalentado pasa luego a través del condensador . Aquí es donde el calor se transfiere del refrigerante circulante a un medio externo, lo que permite que el refrigerante gaseoso se enfríe y se condense en un líquido. El calor rechazado es eliminado por el agua o el aire, según el tipo de condensador.
El refrigerante líquido condensado, en el estado termodinámico conocido como líquido saturado , se dirige a continuación a través de una válvula de expansión donde sufre una reducción abrupta de presión. Esa reducción de presión da como resultado la evaporación instantánea adiabática de una parte del refrigerante líquido. El efecto de autorrefrigeración de la evaporación instantánea adiabática reduce la temperatura de la mezcla de refrigerante líquido y vapor a un nivel en el que es más fría que la temperatura del espacio cerrado que se va a refrigerar.
La mezcla de líquido refrigerante frío y vapor se dirige entonces a través del serpentín o los tubos en el evaporador. El aire en el espacio cerrado circula a través del serpentín o los tubos debido a la convección térmica o un ventilador . Dado que el aire es más cálido que el refrigerante líquido frío, el calor se transfiere del aire al refrigerante, que enfría el aire y calienta el refrigerante, lo que provoca la evaporación y lo devuelve a un estado gaseoso. Mientras el líquido permanece en el flujo de refrigerante, su temperatura no aumentará por encima del punto de ebullición del refrigerante, que depende de la presión en el evaporador. La mayoría de los sistemas están diseñados para evaporar todo el refrigerante para garantizar que no regrese líquido al compresor.
Para completar el ciclo de refrigeración , el vapor refrigerante del evaporador vuelve a ser vapor saturado y se dirige de nuevo al compresor. Con el tiempo, el evaporador puede acumular hielo o agua de la humedad ambiente . El hielo se derrite mediante la descongelación . El agua del hielo derretido o del evaporador gotea en una bandeja de goteo y se retira por gravedad o por una bomba de condensado.
La selección del fluido de trabajo tiene un impacto significativo en el rendimiento de los ciclos de refrigeración y como tal juega un papel clave a la hora de diseñar o simplemente elegir una máquina ideal para una determinada tarea. Uno de los refrigerantes más extendidos es el " Freón ". Freón es un nombre comercial para una familia de refrigerantes de haloalcanos fabricados por DuPont y otras empresas. Estos refrigerantes se usaban comúnmente debido a sus propiedades superiores de estabilidad y seguridad: no eran inflamables a temperatura ambiente y presión atmosférica, ni obviamente tóxicos como lo eran los fluidos que reemplazaban, como el dióxido de azufre . Los haloalcanos también son un orden de magnitud más caros que los alcanos inflamables derivados del petróleo de rendimiento de enfriamiento similar o mejor.
Desafortunadamente, los refrigerantes que contienen cloro y flúor llegan a la atmósfera superior cuando escapan. En la estratosfera , sustancias como los CFC y los HCFC se descomponen debido a la radiación ultravioleta , liberando sus radicales libres de cloro. Estos radicales libres de cloro actúan como catalizadores en la descomposición del ozono a través de reacciones en cadena. Una molécula de CFC puede hacer que se descompongan miles de moléculas de ozono. Esto causa graves daños a la capa de ozono que protege la superficie de la Tierra de la fuerte radiación ultravioleta del sol y se ha demostrado que conduce a un aumento de las tasas de cáncer de piel. El cloro permanecerá activo como catalizador hasta que se una a otra partícula, formando una molécula estable. Los refrigerantes CFC más comunes, pero de uso cada vez menor, son el R-11 y el R-12 .
Los refrigerantes más nuevos que tienen efectos de agotamiento de la capa de ozono reducidos en comparación con los CFC han reemplazado la mayor parte del uso de CFC. Algunos ejemplos incluyen los HCFC (como el R-22 , utilizado en la mayoría de los hogares) y los HFC (como el R-134a , utilizado en la mayoría de los automóviles). A su vez, los HCFC se están eliminando gradualmente en virtud del Protocolo de Montreal y se están reemplazando por hidrofluorocarbonos (HFC), que no contienen átomos de cloro . Sin embargo, los CFC, los HCFC y los HFC tienen un potencial de calentamiento global (GWP) muy alto.
En la actualidad, se están investigando refrigerantes más benignos, como el dióxido de carbono supercrítico , conocido como R-744 . [3] Estos tienen eficiencias similares [ cita requerida ] en comparación con los compuestos existentes basados en CFC y HFC, y tienen un potencial de calentamiento global muchos órdenes de magnitud menor. La industria en general y los organismos gubernamentales presionan hacia refrigerantes más amigables con el GWP. En entornos industriales, se utilizan comúnmente amoníaco , así como gases como etileno , propano , isobutano y otros hidrocarburos (y tienen sus propios números de Rx habituales), según las temperaturas y presiones requeridas. Muchos de estos gases son inflamables, explosivos o tóxicos, lo que restringe su uso (es decir, entorno bien controlado por personal calificado o una cantidad muy pequeña de refrigerante utilizado). Los HFO , que pueden considerarse HFC con algunos enlaces carbono-carbono que son enlaces dobles, muestran la promesa de reducir el GWP tan poco como para no ser motivo de mayor preocupación. Mientras tanto, se utilizan diversas mezclas de refrigerantes existentes para lograr las propiedades y la eficiencia requeridas, a un costo razonable y un menor potencial de calentamiento global.
La termodinámica del ciclo de compresión de vapor se puede analizar en un diagrama de temperatura versus entropía , como se muestra en la Figura 2. En el punto 1 del diagrama, el refrigerante circulante ingresa al compresor como un vapor saturado a baja temperatura y baja presión. Desde el punto 1 hasta el punto 2, el vapor se comprime isentrópicamente (se comprime a entropía constante) y sale del compresor como un vapor a alta presión y alta temperatura.
Del punto 2 al punto 3, el vapor pasa por una parte del condensador que elimina el calor enfriando el vapor. Entre el punto 3 y el punto 4, el vapor pasa por el resto del condensador y se condensa en un líquido subenfriado a alta temperatura y alta presión. El subenfriamiento es la cantidad de calor sensible que se elimina del líquido por debajo de su saturación máxima. El proceso de condensación ocurre a una presión esencialmente constante.
Entre los puntos 4 y 5, el refrigerante líquido subenfriado pasa a través de la válvula de expansión y sufre una disminución abrupta de presión. Ese proceso da como resultado la evaporación instantánea adiabática y la autoenfriación de una parte del líquido (normalmente, menos de la mitad del líquido se evapora). El proceso de evaporación instantánea adiabática es isentálpico (ocurre a entalpía constante ).
Entre los puntos 5 y 1, el refrigerante frío y parcialmente vaporizado viaja a través del serpentín o tubos del evaporador donde es totalmente vaporizado por el aire caliente (del espacio que se está refrigerando) que un ventilador hace circular a través del serpentín o tubos del evaporador. El proceso de evaporación ocurre a una temperatura esencialmente constante. Una vez completada la evaporación, el vapor comenzará a aumentar de temperatura. La cantidad de calor sensible que se agrega al vapor por encima de su punto de saturación, es decir, su punto de ebullición , se llama sobrecalentamiento.
El vapor sobrecalentado resultante regresa a la entrada del compresor en el punto 1 para completar el ciclo termodinámico.
La discusión anterior se basa en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor ideal, que no tiene en cuenta elementos del mundo real como la caída de presión por fricción en el sistema, la ligera irreversibilidad interna durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento no ideal del gas (si lo hay).
Los compresores más comunes que se utilizan en refrigeración son los compresores alternativos y los compresores de espiral , pero los enfriadores de gran tamaño o los ciclos industriales pueden utilizar compresores de tornillo rotativo o centrífugos . Cada aplicación prefiere uno u otro debido a cuestiones de tamaño, ruido, eficiencia y presión. Los compresores suelen describirse como abiertos, herméticos o semiherméticos, para describir cómo se sitúa el compresor y/o el motor en relación con el refrigerante que se comprime. Las variaciones de los tipos de motor/compresor pueden dar lugar a las siguientes configuraciones:
Por lo general, en los compresores herméticos y en la mayoría de los compresores semiherméticos (a veces conocidos como compresores herméticos accesibles), el compresor y el motor que lo impulsa están integrados y funcionan dentro del sistema refrigerante. El motor es hermético y está diseñado para funcionar y enfriarse con el refrigerante que se comprime. La desventaja obvia de los compresores herméticos con motor es que el motor no se puede mantener in situ y se debe quitar todo el compresor si falla un motor. Otra desventaja es que los devanados quemados pueden contaminar sistemas de refrigeración completos, lo que requiere que se vacíe por completo el sistema y se reemplace el refrigerante.
Un compresor abierto tiene un motor que se encuentra fuera del sistema de refrigeración y que proporciona impulso al compresor por medio de un eje de entrada con sellos de prensaestopas adecuados. Los motores de los compresores abiertos suelen estar refrigerados por aire y se pueden cambiar o reparar con bastante facilidad sin desgasificar el sistema de refrigeración. La desventaja de este tipo de compresor es que se pueden producir fallas en los sellos del eje, lo que provoca la pérdida de refrigerante.
Los compresores de motor abierto son generalmente más fáciles de enfriar (usando aire ambiente) y, por lo tanto, tienden a tener un diseño más simple y más confiable, especialmente en aplicaciones de alta presión donde las temperaturas del gas comprimido pueden ser muy altas. Sin embargo, el uso de inyección de líquido para enfriamiento adicional generalmente puede superar este problema en la mayoría de los compresores de motor herméticos.
Los compresores alternativos son compresores de desplazamiento positivo, de tipo pistón.
Los compresores de tornillo rotativo también son compresores de desplazamiento positivo. Dos rotores de tornillo engranados giran en direcciones opuestas, atrapando el vapor de refrigerante y reduciendo el volumen del refrigerante a lo largo de los rotores hasta el punto de descarga.
Las unidades pequeñas no son prácticas debido a las fugas retrógradas, pero las unidades grandes tienen una eficiencia y una capacidad de flujo muy altas.
Los compresores centrífugos son compresores dinámicos. Estos compresores aumentan la presión del refrigerante al impartirle velocidad o energía dinámica, utilizando un impulsor giratorio, y convirtiéndola en energía de presión.
Los enfriadores con compresores centrífugos tienen un "mapa de compresores centrífugos" que muestra la "línea de sobretensión" y la "línea de estrangulamiento". Para las mismas clasificaciones de capacidad, en un rango más amplio de condiciones de funcionamiento, los enfriadores con el compresor de menor velocidad y diámetro más grande tienen un "mapa de compresores centrífugos" más amplio y experimentan condiciones de sobretensión menos que aquellos con compresores de mayor velocidad, más económicos y de diámetro más pequeño. Los compresores de mayor velocidad y diámetro más pequeño tienen una curva más plana., [4] [5] [6]
A medida que disminuye el caudal de refrigerante, algunos compresores cambian el espacio entre el impulsor y la voluta para mantener la velocidad correcta y evitar condiciones de sobretensión. [7]
Los compresores de espiral también son compresores de desplazamiento positivo. El refrigerante se comprime cuando una espiral orbita alrededor de una segunda espiral estacionaria, lo que crea bolsas cada vez más pequeñas y presiones más altas. Cuando se descarga el refrigerante, está completamente presurizado.
Para lubricar las partes móviles del compresor, se añade aceite al refrigerante durante la instalación o la puesta en servicio. El tipo de aceite puede ser mineral o sintético para adaptarse al tipo de compresor y también se elige de manera que no reaccione con el tipo de refrigerante y otros componentes del sistema. En los sistemas de refrigeración pequeños, se permite que el aceite circule por todo el circuito, pero se debe tener cuidado de diseñar las tuberías y los componentes de manera que el aceite pueda drenar de regreso por gravedad al compresor. En sistemas más grandes y distribuidos, especialmente en refrigeración minorista, el aceite normalmente se captura en un separador de aceite inmediatamente después del compresor y, a su vez, se vuelve a entregar, mediante un sistema de gestión del nivel de aceite, al compresor o compresores. Los separadores de aceite no son 100% eficientes, por lo que las tuberías del sistema deben diseñarse de manera que el aceite pueda drenar de regreso por gravedad al separador de aceite o al compresor.
Algunas tecnologías de compresores más nuevas utilizan cojinetes magnéticos o de aire y no requieren lubricación, por ejemplo, la gama de compresores centrífugos Danfoss Turbocor. Al evitar la necesidad de lubricación con aceite y los requisitos de diseño y accesorios asociados a ella, se simplifica el diseño del sistema de refrigerante, se aumenta el coeficiente de transferencia de calor en evaporadores y condensadores, se elimina el riesgo de que el refrigerante se contamine con aceite y se reducen los requisitos de mantenimiento. [8]
En sistemas de refrigeración comercial sencillos, el compresor se controla normalmente mediante un simple presostato, y la expansión se realiza mediante un tubo capilar o una válvula de expansión térmica . En sistemas más complejos, incluidas las instalaciones con varios compresores, es habitual el uso de controles electrónicos, con puntos de ajuste ajustables para controlar la presión a la que se activan y desactivan los compresores, y control de temperatura mediante el uso de válvulas de expansión electrónicas.
Además de los controles operativos, normalmente se utilizan interruptores de alta y baja presión separados para brindar protección secundaria a los compresores y otros componentes del sistema para que no funcionen fuera de los parámetros seguros.
En sistemas de control electrónico más avanzados, el uso de rutinas de control de presión de cabezal flotante y presión de succión proactiva permiten ajustar el funcionamiento del compresor para satisfacer con precisión las diferentes demandas de enfriamiento y, al mismo tiempo, reducir el consumo de energía.
El diagrama esquemático de un sistema de refrigeración de una sola etapa que se muestra en la Figura 1 no incluye otros elementos de equipo que se proporcionarían en un sistema de refrigeración por compresión de vapor comercial o industrial de gran tamaño, como:
En la mayor parte del mundo, la capacidad de enfriamiento de los sistemas de refrigeración se mide en vatios . Las unidades de aire acondicionado residenciales comunes tienen una capacidad que va de 3,5 a 18 kilovatios . En algunos países se mide en " toneladas de refrigeración ", y las unidades de aire acondicionado residenciales comunes tienen una capacidad que va de 1 a 5 toneladas de refrigeración.
Muchos sistemas siguen utilizando refrigerantes HCFC , que contribuyen al agotamiento de la capa de ozono de la Tierra . En los países que se adhieren al Protocolo de Montreal , los HCFC se eliminarán gradualmente y se reemplazarán en gran medida por HFC , que no dañan la capa de ozono . Sin embargo, los sistemas que utilizan refrigerantes HFC tienden a ser ligeramente menos eficientes que los sistemas que utilizan HCFC. Los HFC también tienen un potencial de calentamiento global extremadamente alto , porque permanecen en la atmósfera durante muchos años y atrapan el calor de manera más efectiva que el dióxido de carbono .
Ahora que la eliminación definitiva de los HCFC es una certeza, los refrigerantes alternativos sin haloalcanos están ganando popularidad. En particular, los refrigerantes que antes se habían abandonado, como los hidrocarburos ( por ejemplo, el butano ) y el CO2, están volviendo a utilizarse de forma más extensa. Por ejemplo, las máquinas expendedoras de Coca-Cola en la Copa Mundial de la FIFA 2006 en Alemania utilizaron refrigeración con CO2 . [ 11] El amoníaco (NH3 ) es uno de los refrigerantes más antiguos, con un rendimiento excelente y prácticamente sin problemas de contaminación. Sin embargo, el amoníaco tiene dos desventajas: es tóxico y es incompatible con las tuberías de cobre. [12]
En 1805, el inventor estadounidense Oliver Evans describió un ciclo cerrado de refrigeración por compresión de vapor para la producción de hielo mediante éter al vacío. El calor se eliminaría del ambiente reciclando el refrigerante vaporizado, donde pasaría por un compresor y un condensador , y finalmente volvería a su forma líquida para repetir el proceso de refrigeración una vez más. Sin embargo, Evans no construyó ninguna unidad de refrigeración de este tipo. [13]
En 1834, un expatriado estadounidense en Gran Bretaña, Jacob Perkins , construyó el primer sistema de refrigeración por compresión de vapor funcional del mundo. [14] Era un ciclo cerrado que podía funcionar de forma continua, como describió en su patente:
Su sistema prototipo funcionó aunque no tuvo éxito comercial. [15]
En 1842, el médico estadounidense John Gorrie [ 16] realizó un intento similar , que construyó un prototipo funcional, pero fue un fracaso comercial. El ingeniero estadounidense Alexander Twining obtuvo una patente británica en 1850 para un sistema de compresión de vapor que utilizaba éter.
El primer sistema práctico de refrigeración por compresión de vapor fue construido por James Harrison , un periodista británico que había emigrado a Australia . [17] Su patente de 1856 fue para un sistema de compresión de vapor que utilizaba éter, alcohol o amoníaco. Construyó una máquina mecánica para fabricar hielo en 1851 en las orillas del río Barwon en Rocky Point en Geelong , Victoria , y su primera máquina comercial para fabricar hielo le siguió en 1854. Harrison también introdujo la refrigeración comercial por compresión de vapor en cervecerías y empacadoras de carne y, en 1861, una docena de sus sistemas estaban en funcionamiento en Australia e Inglaterra.
El primer sistema de refrigeración por absorción de gas que utilizaba amoníaco gaseoso disuelto en agua (conocido como "aqua ammonia") fue desarrollado por Ferdinand Carré de Francia en 1859 y patentado en 1860. Carl von Linde , profesor de ingeniería en la Universidad Tecnológica de Múnich en Alemania, patentó un método mejorado para licuar gases en 1876. Su nuevo proceso hizo posible el uso de gases como amoníaco , dióxido de azufre SO 2 y cloruro de metilo (CH 3 Cl) como refrigerantes y se utilizaron ampliamente para ese propósito hasta fines de la década de 1920.