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E. TORRELLA
PRODUCCION DE FRIO
MÁQUINAS DE COMPRESIÓNSISTEMAS MULTIETAPA
Compresión múltiple. Alcance
– Aplicaciones con fuertes diferencias detemperatura entre condensación y evaporación(tasas elevadas de compresión):
• Refrigeración a baja temperatura.• Bombas de calor alta temperatura
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• Bombas de calor alta temperatura.
Compresión múltiple. Causas de implantación
– Disminución de rendimientos volumétricos(Compresores alternativos), debido al aumentoen la tasa de compresión.
– Aumento del título en vapor en entrada deevaporador
E. TORRELLA Pag. 3
evaporador.– Aumento en temperaturas de descarga de
compresión.
Compresión múltiple. Tipos
– Directa.– Indirecta (cascadas).– La diferencia fundamental radica en la utilización
de un único fluido (directa) o mas de uno
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(indirecta).
2
E. TORRELLA
COMPRESIÓN MULTIPLE DIRECTA
DOBLE ETAPA
Inicios
• En 1885, un australiano W.G.Lock patenta el primercompresor compound.
• En 1889 la firma Sulzer fabricóel primer compresor de dobleetapa con amoníaco comofluido de trabajo En la figura un
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fluido de trabajo. En la figura uncompresor horizontal deamoníaco “compound” de dosetapas (1889-1900) de Carl vonLinde.
• En 1889 J. & E. Hall construyeel primer compresor de dobleetapa para CO2.
• Un segundo compresor dedoble etapa fué construido porla empresa York en 1892.
Compresión doble directa. Disposiciones.
– “Booster” .- Dos equiposde compresiónindependientes, en serie.
Compresorde alta
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– “Compound” .- Un únicocompresor realiza lasdos etapas decompresión.
Compresorde baja
Subdivisión del proceso Introducción de una presión intermedia.
p
pK
23
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h
po
pi
14
DESCENSO EN TASAS DE COMPRESIÓN PARCIALES
A
3
Desrecalentamiento entre etapasp
pK
22'3
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h
po
pi
14
AB
T2
T2'
DESCENSO EN LA TEMPERATURA DE DESCARGA
Desrecalentamiento. Métodos
– Con agente externo.– Inyección directa.– Expansión múltiple.– Intercambiador intermedio:
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• Inyección total• Inyección parcial
Agente externo. Esquemap
po
pi
pK
1
22'3
4
AB
T2
T2'
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1 A
C.B.
B 2’
C.A.
AGENTE EXTERNO
El fluido utilizado normalmente es el de condensación.
h
o 14
Agente externo. Limitación térmica
p
pK
A
2’
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h
po
pi
1
AB
Temp. límite
La temperatura límite la condiciona la temperaturadel agente externo (fluido de condensación)
4
Agente externo. Inconvenientes
– Desrecalentamientos limitados por la temperaturadel agente externo.
– Intercambiador de gran superficie, sobre todo enel caso de uso del aire, al transferir potenciatérmica entre dos “gases” ambos malos
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térmica entre dos “gases”, ambos malosconductores del calor.
Inyección directa. Concepto básico
– A la vista de los inconvenientes derivados del usode un agente externo, suele adoptarse, eninstalaciones de media potencia, la disposicióndenominada de inyección directa, en la cual:
• La fuente fría de desrecalentamiento es la propia
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• La fuente fría de desrecalentamiento es la propiainstalación.
• La anterior característica trae como consecuencia unamerma en la potencia frigorífica, al ser esta, en parte,utilizada en el enfriamiento de los vapores de descargadel compresor de baja.
Inyección directa. Esquema
C.B. C.A.
1 2 3 4
6
1 + m
1
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El desrecalentamiento se consigue por medio de la propia instalación.
F1
V1
V2
57
Evap. Cond.m
Inyección directa. Ciclo
p
p 45
F1
C.B. C.A.
V1
V2
1 2 3 4
5
6
7
Evap. Cm
1 + m
1
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h
po
pi
pK
1
236
7
5
Inyección directa. Caudales
F1
C.B. C.A.
V1
V2
1 2 3 4
5
6
7
m
1 + m
1
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– Desigualdad de caudales circulantes por etapas decompresión. Balance en la mezcla a presión intermedia:
– Caudal másico por expansor auxiliar.
– Caudal másico por condensador y compresor de alta.
352 )1(1 hmhmh +=+
)/()( 5332 hhhhm −−=
)/()(1 5352 hhhhm −−=+
Inyección directa. Caudales
– La diferencia de caudal másico puede ser compensada en
F1
C.B. C.A.
V1
V2
1 2 3 4
5
6
7
m
1 + m
1
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La diferencia de caudal másico puede ser compensada encaudales volumétricos, por el volumen específicoconseguido con el desrecalentamiento.
– El sistema resulta beneficioso si la producción volumétricaes menor que sin desrecalentamiento.
25352323 )/()()1( vhhhhvvvm <−−→<+
32353252 ;/)(/)( vv qqvhhvhh <−<−
Inyección directa. Vista
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– La inyección inter-etapas se realiza en contracorriente a laentrada de vapores procedentes de la etapa de baja
F1
C.B. C.A.
V1
V2
1 2 3 4
5
6
7
m
1 + m
1
Inyección directa con intercambiador
Con
d.
A.P.
Evap
.
B.P.1 2 3 4
67
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589
p
h
1
23
45
6 7
8
9
El intercambiador provoca un subenfriamiento de liquido previo a la inyección a presión intermedia
6
Inyección directa con intercambiador
Con
d.
A.P.
Evap
.
B.P.1 2 3 4
67
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( )iKiK
KK
TTT
TTTTTEfi
−Δ
=−
Δ−−=
589
TK
TK
Ti
Ti
TK-ΔT
5
6
7
8
Inyección directa con intercambiador
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Inyección directa con intercambiador
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Expansión múltiple. Concepto básico
– Una segunda posibilidad de desrecalentamientomediante la instalación es la expansión múltiple,en la que:
• La fuente fría de desrecalentamiento es una corriente devapores a presión intermedia
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vapores a presión intermedia.• La anterior característica elimina la merma en potencia
frigorífica, puesto que el vapor no produce potencia yademás se da un ahorro en potencia consumida por elcompresor de baja.
• El inconveniente es la falta de control en el proceso deenfriamiento entre etapas.
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Expansión múltiple. Esquema
C.B. C.A.
1
1
2 3 4
7
1 + m
mC d
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El desrecalentamiento se consigue por medio de la propia instalación.
Evap.
5
6
5'
8
Cond.
Expansión múltiple. Ciclo
C.B. C.A.
1
1
2 3 4
7
Evap.
1 + m
55'
mCond.
p
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5
65’
7 32
4
8 1
68
h
Expansión múltiple.Comp. centrífugo (A.A.)
CondensadorCondensador
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FlotadorAlta P. Flotador
Baja P.Evaporador
Compresor centrifugodoble rodete
FlotadorAlta P. Flotador
Baja P.Evaporador
Compresor centrifugodoble rodete
Expansión múltiple. Compresores de tornillo
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8
Expansión múltipleCaudales
C.B. C.A.
1
1
2 3 4
7
Evap.
1 + m
5
6
5'
8
mCond.
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Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión.Balance en el separador a presión intermedia:
Caudal másico de vapor de salida del separador
= 1 h6 + m h7(1 + m) h5
m =h5 - h6h7 - h5
Expansión múltiple. Eficiencia del sistema
La potencia por unidad de masa condensada disminuye con la expansión
C.B. C.A.
1
1
2 3 4
7
Evap.
1 + m
5
6
5'
8
mCond.
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p p y pescalonada, ya que parte del vapor sólo se comprime desde la presiónintermedia. Si la potencia frigorífica, por unidad de masa condensada, nodesciende, el efecto global será positivo. Producciones específicas sin y conexpansión escalonada
qo = h1 - h5" = h1 - h5
q'o =h1 - h61 +m =
h1 - h6
1 +h5 - h6h7 - h5
=(h1 - h6) (h7 - h5)
h7 - h6
Si la entalpía del estado “7” supera la del “1”, la potencia, con expansiónescalonada, supera al sistema sin esta disposición.
Expansión múltipleResumen
– Ventajas
C.B. C.A.
1
1
2 3 4
7
Evap.
1 + m
55'
mCond.
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Ventajas• Parte del vapor no se expande hasta la mas baja presión, por
lo que disminuye la potencia de compresión.• Los vapores anteriores no interfieren, en cuanto a la
transmisión térmica, en el evaporador.– Inconvenientes
• Desrecalentamiento limitado entre etapas, lo que hace alsistema sólo apto con fluidos cuyo aumento de temperatura,en la compresión, sea moderado.
68
Máquinas con intercambiador intermedio. Conceptos básicos
– En grandes instalaciones se utilizanconfiguraciones dotadas de recipientesintermedios a la presión intermedia, estos tienenla función, no solo de provocar el enfriamiento delos vapores de baja sino la obtención de títulos
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los vapores de baja, sino la obtención de títuloselevados en entrada a evaporador, son:
• De tipo abierto; o inyección total.• De tipo cerrado; o de inyección parcial.
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Intercambiador abierto. Inyección totalEsquema
C.B. C.A.
1
1
2 3 41 + m
C d
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Desrecalentamiento y expansión escalonada.
Evap.
5
Cond.
678V1V2
Inyección total Ciclo de la instalación
C.B. C.A.
11
2 3 4
Evap.
1 + m
5
Cond.
678
V1V2
5
p
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45
23
1
67
8h
Recipiente a media presiónVista externa
1 + m
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C.B. C.A.
11
2 3 4
Evap.
5
Cond.
678
V1V2
Inyección total Análisis de caudales
Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión
C.B. C.A.
11
2 3 4
Evap.
1 + m
5
Cond.
678
V1V2
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Desigualdad de caudales circulantes por etapas de compresión.Balance en el separador a presión intermedia:
1 h2 + (1 + m) h5 = 1 h7 + (1 + m) h3Caudal másico por condensador
1 + m =h2 - h7
h3 - h5
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Intercambiador cerradoInyección parcial. Esquema
1 4
32
C.B. C.A.
ador
ador
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Desrecalentamiento y expansión escalonada.
7
6
5
8
Eva
pora
Con
dens
a
Intercambiador cerrado Inyección parcial. Ciclo
p
1
6
5
4
32
8
C.B. C.A.
Eva
pora
dor
Con
dens
ador
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p
h
5
236
7
8
4
1
78
Inyección parcial. Vista
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De compresorB.P.
Intercambiador intermedio tipo cerrado
E. TORRELLA Pag. 40
A compresorA.P.
Drenaje aceite
Indi
cado
r niv
el
No figuran las conexiones desde condensador
11
Intercambiador intermedioDiscusión
– La utilización de las máquinas conintercambiador tipo cerrado se debe a que apesar de ser menos eficiente desde un punto devista energético, la instalación trabaja con unexpansor principal que actúa entre las presiones
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expansor principal que actúa entre las presionesextremas (condensación y evaporación), lo quegarantiza una mejor alimentación al evaporador,al ser este expansor de comportamiento masestable que los de la instalación conintercambiador abierto en la que los expansorestrabajan con tasas inferiores a la total.
Inyecciónde liquido
Expansión escalonada(Iny. liquido optativa)
Condensador
Comp. A.P.
Método de
Intercambiadorsuperficial
Inyeccióntotal
Inyecciónparcial
Evaporador
Comp.B.P.
desrecalentamiento
Elección de la presión intermedia. Métodos
– Igualdad de relaciones de compresión.– Igualdad de temperaturas de descarga.– Potencia mínima.– Necesidad de una temperatura intermedia.
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– Impuesta en compresores “compound”.
Elección de la presión intermedia. Igualdad tasas.
pi
po=
pK
pipi = po.pK
La relación entre entre temperaturas de entrada “e” y salida “s” a compresores será:
E. TORRELLA Pag. 44
y salida s a compresores, será:
TsA
TeA= [
pK
pi]
n-1n = [
pi
po]
n-1n =
TsB
TeB
con lo que
TeA > TeB TsA > TsB;
12
Igualdad de temperaturas de descarga.
En base a las consideraciones hechas con igualdad de tasas de compresión:
p p
E. TORRELLA Pag. 45
con lo que la etapa de compresión de baja trabaja con un menor salto.
pK
pi
<pi
po
Mínima potencia consumida.
Obtención del mínimo de la suma de:
mcB (h2s - h1) mcB (h2 - h1)
E. TORRELLA Pag. 46
PcB = cB ( 2s 1)
RiB RmB= cB ( 2 1)
RmB
PcA =mcA (h4s - h3)
RiA RmA=
mcA (h4 - h3)
RmA
Mínima potencia consumida.
• Formulas aproximadas:– Behringer (amoníaco); temperatura intermedia a
la presión calculada como media geométricaTopt = Ti + 5°C
E. TORRELLA Pag. 47
– Czaplinsky
– Sandholt
opt i
Topt
= To.T
K
pi
= po
. pK
+ 0 . 35 [ Kg / cm 2]
Representación.
R-22; TK = 30ºC; T0 = -30ºCG.S. = 5ºC; G.R. = 5ºC INT. ABIERTO
COP2,75
2,85
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EXP. ESCALONADA
INY. LIQUIDO
TEMP. INTERMEDIA [ºC]-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4
2,35
2,45
2,55
2,65
13
E. TORRELLA
EJEMPLO INSTALACIONTIPO “BOOSTER”
INSTALACION
• Comp. alternativos A.P.• A.C.S. (desrecalent.)• Condens. Aire• Salas de proceso
climatizadas, con evap.secos
E. TORRELLA Pag. 50
secos.• Intercambiador intermedio
tipo cerrado.• Recipiente liquido B.P.• Generador-hielo
(preenfriamiento)• Túneles de enfriamiento y
cámaras dealmacenamiento.
• Comp. tornillo B.P.
DANFOSS KG.00.B1.02
COMPRESION EN ALTA
• Presostato de alta endescarga
• Presostato de baja ensucción
E. TORRELLA Pag. 51
• Presostato diferencialde aceite
• Regulador decapacidad
INTERCAMBIADOR A.C.S.
• Aprovechamientoentálpico de losvapores recalentados,previo a sucondensación
E. TORRELLA Pag. 52
condensación.
14
PUESTO DE CONDENSACION
• Válvulas solenoides decontrol.
• Válvulas antiretorno.• Control de la presión de
condensación, en caso de
E. TORRELLA Pag. 53
baja carga o aire decondensación a bajatemperatura, deriva desde elintercambiador de A.C.S.hacia el recipiente de altapresión.
• Recipiente de alta presión,con válvula de flotador dealta.
VALVULA FLOTADOR A.P.
• Pilota el suministro defluido al recipiente debaja presión.– 9.- Obturador
5 Conexión a recipiente
E. TORRELLA Pag. 54
– 5.- Conexión a recipienteB.P.
– 3, 4. Conexionessuperior e inferior adepósito A.P.
ZONA INTERMEDIA
• Evaporadores altatemperatura.
• Intercambiador tipocerrado.
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• Recipiente liquido bajapresión.
• Generador de hielo.• Compresor de tornillo
de baja presión.
EVAPORADORES ALTA TEMP.
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15
RECIPIENTE DE LIQUIDO B.P.
E. TORRELLA Pag. 57
EVAPORADORES DE B.T.
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GENERADOR DE HIELOTERMOSTATICA DE NIVEL
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COMPRESOR DE TORNILLO
E. TORRELLA Pag. 60
16
INTERCAMBIADOR TIPO CERRADO
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