El término subenfriamiento (también llamado subenfriamiento ) se refiere a un líquido que existe a una temperatura por debajo de su punto de ebullición normal . Por ejemplo, el agua hierve a 373 K; a temperatura ambiente (293 K), el agua líquida se denomina "subenfriada". Un líquido subenfriado es el estado conveniente en el que, digamos, 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 llega al siguiente paso del ciclo es la deseada. El subenfriamiento puede tener lugar dentro y fuera de los intercambiadores de calor . 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]
Normalmente se utiliza el subenfriamiento para que cuando el refrigerante llegue a la válvula de expansión termostática, esté todo 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 acabar conduciendo a comportamientos similares a los observados con los fenómenos flash-gas : problemas en la regulación del petróleo a lo largo del ciclo; [4] abuso excesivo e innecesario de energía y desperdicio de electricidad ; mal funcionamiento y deterioro de varios componentes de la instalación; funcionamiento irregular de todos los sistemas y, en una situación no vigilada, equipos arruinados.
Otra aplicación importante y común del subenfriamiento es su uso indirecto en el proceso de sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento es análogo al subenfriamiento en términos operativos y ambos procesos pueden acoplarse mediante 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 de 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 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.
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 eficaz y sencillo, puede considerarse un factor de disminución de la capacidad nominal de condensación. 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 muy extendida del subenfriamiento es la de potenciar y economizar . A la inversa del sobrecalentamiento, el subenfriamiento, o la cantidad de calor extraído del refrigerante líquido en el proceso de subenfriamiento, se manifiesta como un aumento de 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 es capaz de aumentar la capacidad del sistema porque el sobrecalentamiento atenua el efecto de refuerzo del subenfriamiento, lo que hace que la ganancia neta de capacidad sea igual a cero. Algunos sistemas pueden mover refrigerante y/o eliminar calor usando menos energía porque lo hacen con 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 u oxidantes criogénicos 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 combustible y, por lo tanto, una mayor capacidad de los tanques de combustible sin aumentar su peso. Al mismo tiempo se reducen las pérdidas por vaporización.
El cohete Falcon 9 de SpaceX utiliza subenfriamiento para su oxidante. [6] El término superchilling también se utiliza para esta técnica.
El proceso de subenfriamiento puede ocurrir de muchas maneras diferentes; por tanto, es posible distinguir entre las diferentes partes en las que se desarrolla el proceso. Normalmente, el subenfriamiento se refiere a la magnitud de la caída de temperatura que es fácilmente mensurable, 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 se produce en el interior del condensador, inmediatamente después de que el fluido se ha 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 las tuberías, el refrigerante tiende 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 normalmente se le da al descenso de temperatura que se produce en el interior del condensador (subcooling del condensador), combinado con el descenso de temperatura que se produce únicamente 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. [7] 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 boosters.
Los fenómenos de subenfriamiento están íntimamente relacionados con la eficiencia en los sistemas de refrigeración. Esto ha dado lugar a una gran cantidad de investigaciones en el campo. La mayor parte del interés se centra en el hecho de que algunos sistemas funcionan en mejores condiciones que otros debido a mejores (más altas) presiones de operación, 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 de economización [8] , 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 compresores. [ cita necesaria ] En el intercambiador de calor nombrado, el líquido refrigerante a alta presión se subenfría, lo que resulta en un subenfriamiento mecánico. También se está construyendo una gran cantidad de sistemas con pantalla de refuerzo. Esto es similar a economizar, ya que se sabe que la eficiencia de uno de los compresores (el que trabaja a presiones más altas) es mejor que la del otro (los compresores que trabajan a presiones más bajas). Los economizadores y los sistemas de refuerzo generalmente se diferencian en que los primeros pueden realizar el mismo subenfriamiento utilizando un solo compresor capaz de economizar, los últimos sistemas deben realizar el proceso con dos compresores separados.
Además de potenciar y economizar, es posible realizar 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 equipos) sólo para subenfriamiento. Aún así, la idea ha suscitado 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. [9] Hacer que este tipo de sistema sea 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 normalmente 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 añadiendo subenfriamiento mecánico a cualquier sistema de refrigeración genérico inespecífico . [10]
El principio de subenfriamiento detrás de 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 están subenfriando funcionan 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.
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 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 a través de un enfriador de gas en fase supercrítica . Hablar de temperatura de condensación y subenfriamiento en estas condiciones no es del todo posible. Hay mucha investigación real sobre este tema sobre procesos en múltiples etapas, eyectores , expansores y varios otros dispositivos y actualizaciones. Gustav Lorentzen describió algunas modificaciones al ciclo, incluyendo dos subenfriamiento interno por etapas para este tipo de sistemas. [11] Debido a la naturaleza particular de estos sistemas, el tema del subenfriamiento debe ser tratado como corresponde, teniendo en cuenta que las condiciones del fluido que sale del enfriador de gas en sistemas supercríticos, deben especificarse directamente mediante temperatura y presión. [12]
