El término subenfriamiento (también llamado subenfriamiento ) se refiere a un líquido que existe a una temperatura inferior a su punto de ebullición normal . Por ejemplo, el agua hierve a 373 K; a temperatura ambiente (293 K), el agua líquida se denomina "subenfriada". Los líquidos subenfriados se utilizan con frecuencia en ciclos de refrigeración, ciclos de turbinas de vapor y algunos motores de cohetes utilizan propulsores subenfriados.
En los sistemas de refrigeración, un líquido subenfriado es el estado conveniente en el que 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 con la que el refrigerante alcanza el siguiente paso del ciclo es la deseada. El subenfriamiento puede tener lugar en los intercambiadores de calor y fuera de ellos. Al ser procesos similares e inversos, el subenfriamiento y el sobrecalentamiento son importantes para determinar la estabilidad y el buen funcionamiento de un sistema de refrigeración. [2]
El subenfriamiento se utiliza normalmente para que cuando el refrigerante llegue a la válvula de expansión termostática, esté todo en estado líquido , permitiendo así el correcto funcionamiento de la válvula. Si llega gas a la válvula de expansión pueden producirse una serie de fenómenos no deseados. [3] Estos pueden acabar dando lugar a comportamientos similares a los observados con los fenómenos de flash-gas : problemas en la regulación del aceite a lo largo del ciclo; [4] uso excesivo e innecesario de la potencia y derroche de electricidad ; mal funcionamiento y deterioro de varios componentes de la instalación; funcionamiento irregular del conjunto de los sistemas, y en caso de no vigilancia, equipos estropeados.
Otra aplicación importante y común del subenfriamiento es su uso indirecto en el proceso de sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento es análogo al subenfriamiento en un sentido operativo, y ambos procesos pueden acoplarse utilizando un intercambiador de calor interno. El subenfriamiento aquí se sirve del sobrecalentamiento y viceversa, permitiendo que el calor fluya desde el refrigerante a mayor presión (líquido), al que tiene menor presión (gas). Esto crea una equivalencia energética entre los fenómenos de subenfriamiento y sobrecalentamiento cuando no hay pérdida de energía . Normalmente, el fluido que se está subenfriando está más caliente que el refrigerante que se está sobrecalentando, 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 líquido y gas , situación que generalmente conduce a la destrucción del compresor de gas porque el líquido es incompresible. Esto hace que el subenfriamiento sea una fuente fácil y extendida de calor para el proceso de sobrecalentamiento.
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, lo que, aunque es muy efectivo y simple, puede considerarse un factor de disminución de la capacidad de condensación nominal. Una situación similar puede encontrarse 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 el impulso y la economización . Inversamente al sobrecalentamiento, el 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 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 impulso del subenfriamiento se atenúa 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 utilizando menos energía porque lo hacen en fluidos de alta presión que luego enfrían o subenfrían fluidos de menor presión (que son más difíciles de enfriar).
En aplicaciones de vuelos espaciales, el término se refiere a combustibles criogénicos u oxidantes que se enfrían muy por debajo de su punto de ebullición (pero no por debajo del punto de fusión ). [5] Esto da como resultado una mayor densidad de propulsor y, por lo tanto, una mayor capacidad de los tanques de propulsor sin aumentar el peso del tanque. [6] Al mismo tiempo, se reducen las pérdidas por vaporización. [ cita requerida ]
Los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Starship de SpaceX utilizan subenfriamiento para los propulsores. [6] [7] El término superenfriamiento también se utiliza para esta técnica. [ cita requerida ]
El proceso de subenfriamiento puede ocurrir de muchas formas diferentes, por lo tanto, es posible distinguir entre las diferentes partes en las que tiene lugar el proceso. Normalmente, el subenfriamiento se refiere a la magnitud de la caída de temperatura que es fácilmente medible, pero es posible hablar de subenfriamiento en términos del calor total que se elimina. El subenfriamiento más conocido es el subenfriamiento del condensador , que suele conocerse como la caída total de temperatura que tiene lugar en el interior del condensador, inmediatamente después de que el fluido se haya condensado totalmente, hasta que sale de la unidad condensadora.
El subenfriamiento del condensador se diferencia del subenfriamiento total generalmente porque después del condensador, a lo largo de la tubería, el refrigerante puede tender naturalmente 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 completa de temperatura que sufre el refrigerante desde su temperatura real de condensación, hasta la temperatura concreta que tiene al llegar a la válvula de expansión: este es el subenfriamiento efectivo.
El subenfriamiento natural es el nombre que se le da normalmente a la caída de temperatura producida dentro del condensador (subenfriamiento del condensador), combinada con la caída de temperatura que se produce a través de la tubería únicamente, excluyendo cualquier intercambiador de calor de cualquier tipo. Cuando no hay subenfriamiento mecánico ( es decir , un intercambiador de calor interno), el subenfriamiento natural debería ser igual al subenfriamiento total. [8] Por otro lado, el subenfriamiento mecánico es la temperatura reducida por cualquier proceso artificial que se coloca deliberadamente para crear subenfriamiento. [1] Este concepto se refiere principalmente a dispositivos como intercambiadores de calor internos, cascadas de subenfriamiento independientes, economizadores o amplificadores.
El fenómeno del subenfriamiento está íntimamente relacionado con la eficiencia de los sistemas de refrigeración, lo que ha dado lugar a una gran cantidad de investigaciones en este campo. La mayor parte del interés se centra 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, [9] que requieren un cuidado especial en su 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 compresores. [ cita requerida ] En el intercambiador de calor nombrado, el líquido refrigerante a alta presión se subenfría, lo que da como resultado un subenfriamiento mecánico. También se están construyendo una gran cantidad de sistemas en exhibición de refuerzo. Esto es similar a la economización, ya que se sabe que la eficiencia del compresor de uno de los compresores (el que trabaja en presiones más altas) es mejor que el otro (los compresores que trabajan con presiones más bajas). Los economizadores y los sistemas de refuerzo generalmente difieren en el hecho de que los primeros pueden hacer el mismo subenfriamiento utilizando solo un compresor capaz de economizar, los últimos sistemas deben hacer el proceso con dos compresores separados.
Además de impulsar 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 todos los engranajes) solo para el subenfriamiento. Aún así, la idea ha generado cierta investigación ya que existen algunos supuestos beneficios. Además, el Departamento de Energía de los Estados Unidos emitió una Alerta Tecnológica Federal mencionando el subenfriamiento del refrigerante como una forma confiable de mejorar el rendimiento de los sistemas y ahorrar energía. [10] Hacer que este tipo de sistema sea operativamente independiente del sistema principal y comercialmente posible es tema de estudio debido a las afirmaciones mencionadas. La separación de la unidad de subenfriamiento del ciclo principal (en términos de diseño) no se conoce como 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 aumentar la capacidad del sistema agregando subenfriamiento mecánico a cualquier sistema de refrigeración genérico no específico . [11]
El principio de subenfriamiento que subyace a todas estas aplicaciones es el hecho de que, en términos de transferencia de calor, todo el subenfriamiento se suma directamente a la capacidad de enfriamiento del refrigerante (ya que el sobrecalentamiento se deduciría directamente). Como los compresores que subenfrían 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 sea más barato que el extraído por el sistema principal, en términos de energía.
En un sistema de refrigeración común , el refrigerante sufre cambios de fase de gas a líquido y de líquido a gas. Esto permite considerar y analizar 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 (normalmente 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 actual sobre este tema en relación con procesos de múltiples 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. [12] 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 utilizando la temperatura y la presión. [13]
