Ciclo De Refrigeración: 4 Etapas, Cascada, Etapas Múltiples

Primero hay que destacar que el ciclo de refrigeración, es como tal, una secuencia de pasos que se repiten secuencialmente para lograr establecer una temperatura específica en un espacio determinado, el mismo lo utilizan las neveras en los hogares para enfriarse, con la ayuda de distintos dispositivos que cumplen cada uno una función propia requerida para cumplir con el ciclo de refrigeración.

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    Ciclo de refrigeración

    Un ciclo de refrigeración hace uso de un refrigerante especial que se utiliza para llevar a cabo todo el proceso de refrigeración, el mismo es un fluido especial que pasará por distintas etapas, dichas etapas son fundamentales para llevar a cabo la operación de refrigeración.

    A continuación se mostrará un video donde se muestran los distintos componentes que intervienen en el ciclo de refrigeración:

    Componentes

    Como se puede observar en el video anterior los componentes principales que intervienen en el ciclo de refrigeración son el evaporador, compresor, el condensador y la válvula de expansión, la función que hace cada uno se explicará a continuación.

    Evaporación

    La evaporación es una de las cuatro etapas del ciclo de refrigeración, y el componente que se encarga de hacerla es el evaporador.

    El refrigerante entra en el evaporador a una temperatura y presión adecuadas, por lo general la temperatura del refrigerante en el evaporador es menor a la temperatura en la cava de la nevera.

    La transferencia de calor se produce de un cuerpo de mayor temperatura a un cuerpo de menor temperatura.

    Debido a que lo se desea es enfriar la cava, la temperatura del refrigerante debe ser menor a la temperatura de la cava (nevera), para que la cava transfiera su calor al refrigerante y así pueda enfriarse, permitiendo enfriar lo que se encuentra en ella.

    Es decir:

    Si TR < TC, esto significa que se transfiere el calor de la cava  al refrigerante, la temperatura de la cava disminuye enfriándose y la temperatura del refrigerante aumenta como consecuencia de recibir el calor de la cava.

    donde:

    TR: Es la temperatura del refrigerante.

    TC: Es la temperatura de la cava.

    Luego de esto a la salida del evaporador se toma el valor de la temperatura a través de un bulbo sensor de temperatura y la misma se entrega a la válvula de expansión o VET que se encuentra al inicio del evaporador a una pequeña distancia de él.

    Después el refrigerante se dirige a la entrada del compresor.

    Compresión

    El compresor hace una de las 4 etapas del ciclo de refrigeración que corresponden a la compresión, en la misma toma el refrigerante que sale de la tapa de evaporación, y lo comprime haciendo que tenga una mayor temperatura y presión.

    En el compresor el refrigerante entra a unos niveles bajos de temperatura y presión en comparación a sus niveles de presión y temperatura a la salida del compresor.

    La temperatura del refrigerante aumenta a causa de la energía que recibe por la compresión que es el trabajo que realiza el cilindro del compresor para modificar sus valores de presión y temperatura, además de esto, cuando el refrigerante sale del compresor se reduce su volumen.

    La temperatura aumenta a causa del calor agregado en el proceso de compresión.

    Lee: Sensores De Temperatura

    Condensación

    En el condensador se disipa el calor agregado al refrigerante en el proceso de evaporación.

    El vapor que se encuentra a alta presión y temperatura como consecuencia del trabajo realizado sobre el refrigerante en el compresor, se enfría a medida que pasa a través del condensador a través de medios externos. 

    El refrigerante se puede enfriar gracias a las aletas que dispone el condensador que le permiten disipar su calor de manera efectiva y a un ventilador que rocía aire hacia el condensador, esto es en sistemas enfriados por aire.

    A medida que el vapor de refrigerante se enfría alcanza su temperatura de saturación, lo que causa que el refrigerante pase al estado líquido, para luego dirigirse a la válvula de expansión.

    Expansión

    Es una de las cuatro etapas del ciclo de refrigeración y la misma se encarga de hacerla la válvula de expansión, válvula limitadora de presión o también conocida como VET.

    La válvula de expansión es una válvula de control de flujo, la misma se encarga de modificar la presión y la temperatura que debe tener el refrigerante líquido para entrar en el evaporador.

    La válvula de expansión se encuentra antes del evaporador, la misma recibe al refrigerante líquido a una presión específica con temperatura de saturación.

    Controla la cantidad de líquido refrigerante que ingresa al evaporador, abastece al evaporador con una cantidad adecuada de refrigerante que garantice que a la salida del evaporador solo haya vapor.

    En la entrada del compresor no debe haber líquido, ya que el mismo podría causar un daño en él, la entrada del compresor se conecta con la salida del evaporador, la válvula de expansión se encarga de que siempre haya vapor en esta salida para proteger el condensador.

    En la siguiente imagen podemos ver las partes de una válvula de expansión.

    Ciclo de refrigeración
    Válvula de expansión

    Partes de una válvula de expansión

    A continuación se explicará el funcionamiento de las partes fundamentales de la válvula de expansión:

    Bulbo de temperatura

    Es un dispositivo sensor, el mismo se coloca en la tubería de succión o aspiración a la salida del evaporador, contiene un líquido interno que aumenta su volumen con los cambios de temperatura.

    Está unido a un tubo capilar que se encarga de unir el bulbo al elemento termostático.

    Elemento termostático

    El elemento termostático está compuesto por el bulbo de temperatura, el tubo capilar y el diafragma.

    Membrana (diafragma)

    Transfiere la presión del bulbo y hace desplazar la aguja del asiento en función de la carga térmica que haya en el elemento a enfriar, mediante este desplazamiento pasa más o menos refrigerante al evaporador, todo depende de la presión que haga el bulbo sobre el diafragma que se encuentra en la válvula.

    Orificio, aguja y asiento

    Regulan el flujo de refrigerante que pasa por la válvula, su tamaño permite modificar la capacidad de la válvula.

    Tornillo o regulador para el ajuste de recalentamiento

    Se utiliza para limitar la cantidad mínima de caudal.

    Cuerpo de la válvula

    Está compuesto por una cámara en la cual se produce la expansión del refrigerante cuando pasa por la misma a través de un orificio, tiene dos conexiones para la entrada y salida del fluido.

    Estados del refrigerante en el ciclo de refrigeración

    Empecemos saliendo del condensador antes de que el refrigerante entre a la válvula de expansión, es decir, entre el condensador y la válvula de expansión.

    En este momento el refrigerante está en estado líquido a una presión específica, para entrar al evaporador debe pasar antes por la válvula de expansión termostática, que se encarga de cambiar su presión y temperatura a valores apropiados.

    La válvula produce una caída de presión en el refrigerante lo que hace que el refrigerante se evapore a través de un estrangulamiento brusco, es decir que la válvula de expansión actúa entre los lados de alta presión (lado del condensador) y el lado de baja presión (lado del evaporador).

    Al bajar la presión del líquido el mismo se evapora recibiendo el calor del elemento a enfriar para luego sobrecalentarse de manera adecuada para ingresar de forma segura evitando cualquier daño que un mal estado del refrigerante pueda causar en el compresor.

    El refrigerante en forma de gas ingresa al compresor a baja presión y temperatura y el compresor lo que hace es comprimirlo y eleva su temperatura y presión.

    Luego entra al condensador y se le extrae el calor agregado al refrigerante en la tapa de evaporación a través de un fluido exterior que puede ser agua o aire, esto causa que el refrigerante se enfríe dando lugar a su condensación emitiendo calor al aire exterior hasta que alcanza su estado líquido.

    Siguiente a los hechos anteriores, comienza de nuevo el ciclo con el refrigerante líquido saliendo del condensador para luego ser enviado a la válvula de estrangulamiento.

    Aceite de refrigeración

    El aceite se utiliza para lubricar las partes del cilindro del compresor y todo el mecanismo por el cual debe pasar el refrigerante, por lo que él mismo siempre circula con una pequeña dosis de aceite.

    Ciclo de refrigeración en cascada

    En muchas aplicaciones no es suficiente la utilización de un solo ciclo de refrigeración por compresión de vapor para establecer temperaturas que deben ser mantenidas en los elementos a enfriar.

    A continuación se muestra un ciclo de refrigeración en cascada.

    Ciclo de refrigeración
    Ciclo de refrigeración en cascada

    Los elementos a enfriar podrían ser lugares con mayor espacio de almacenamiento de carga térmica a una temperatura específica.

    Debido a que aumenta el espacio de almacenamiento, la carga térmica es mayor y por lo tanto se necesita más cantidad de refrigerante para cumplir con los niveles de temperatura requeridos.

    Esto hace que sea necesario la utilización de varios ciclos de refrigeración en serie, es decir se hace trabajar en conjunto a varios ciclos de refrigeración individuales de manera que sus contribuciones permitan las disminución de la temperatura a un valor deseado y así mantenerla.

    La utilización de los ciclos de refrigeración en cascada hace que los equipos no se tengan que esforzar tanto para llegar al mismo resultado.

    Ciclo de compresión de vapor en etapas múltiples

    Este ciclo se utiliza para comprimir el refrigerante en dos o más etapas diferentes, debido a que el refrigerante pasa por todos los ciclos de refrigeración que se utilicen en esta configuración, es recomendable hacer uso de un intercambiador de calor regenerativo.

    En la siguiente imagen se muestra un ciclo de compresión propio de este punto, en el que hay dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo.

    Ciclo de refrigeración
    Ciclo de compresión de vapor en etapas múltiples

    El líquido que sale del condensador se estrangula en una válvula de expansión y luego entra en una cámara de expansión.

    La cámara de expansión mantiene una presión constante entre la presión del condensador y la presión del evaporador.

    Con la ayuda de la cámara de expansión parte del refrigerante pasa a un estado de evaporación y se dirige hacia la cámara de mezclado.

    En la cámara de mezclado el refrigerante se une con la cantidad de refrigerante que sale de la primera etapa de compresión, para luego proceder a la segunda etapa de compresión que comprime el resultado de la mezcla elevando su presión y temperatura y luego ingresa de nuevo al condensador para comenzar el ciclo.

    La parte del refrigerante que todavía está en estado líquido en la cámara de expansión se estrangula y se hace pasar por un evaporador para luego enviarla al compresor de baja presión.

    Esta parte es la que se mezcla con la parte de refrigerante que se encuentra en la cámara de expansión.

    Aplicaciones

    Este ciclo de refrigeración no solo se utiliza en las neveras que se encuentran en los hogares, sino también en sitios destinados al almacenamiento y conservación de alimentos en grandes cantidades como los que se utilizan en las industrias de procesamiento de lácteos, producción de bebida, industria cárnica, entre otros.

    Conclusión

    El evaporador recibe el calor proveniente de la cava a través de los tubos del evaporador que se encuentra en el elemento a enfriar, y luego este calor se disipa hacia el ambiente por medio del condensador.

    Por lo tanto, idealmente entra calor hacia el refrigerante en el evaporador y se expulsa dicho calor del refrigerante a través del condensador, y esto se hace sucesivamente hasta que el elemento a enfriar alcance su valor de temperatura deseado.

    La válvula de expansión se encarga de regular el caudal del refrigerante líquido en la entrada del evaporador, y de proteger al compresor de que no haya líquido en su entrada, para lograrlo hace uso del bulbo sensor de temperatura que mide la temperatura a la salida del evaporador para que la válvula pueda mantener un sobrecalentamiento adecuado.

    El compresor se encarga de aumentar la presión y temperatura del fluido.

    Los gases de refrigeración pasan por diferentes estados al recorrer el ciclo desde un estado inicial a un estado final y así sucesivamente.

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