Archivo_Capítulo 2

Estado del Arte de la Producción de Frío a partir de Energía Solar
2. REFRIGERACIÓN.
2.1. Generalidades.
Refrigerar un sistema es mantener su temperatura por debajo de la de
su ambiente, entendiéndose por refrigeración el conjunto de técnicas que
permiten refrigerar un sistema. Para ello, es preciso extraer calor de él,
denominándose frío producido a la cantidad de calor extraído del sistema a
refrigerar; es decir, producir frío es sinónimo de refrigerar.
En régimen de verano, y en algunos casos incluso en régimen de
invierno, la climatización de un local consiste esencialmente en su
refrigeración. En el ámbito del acondicionamiento del aire, la refrigeración se
realiza usualmente mediante el empleo de máquinas frigoríficas; es decir, de
máquinas capaces de bombear calor desde el local a refrigerar a su ambiente,
funcionando según un proceso cíclico que permite producir frío
indefinidamente, en tanto que se les aporte desde el exterior la energía precisa
para su accionamiento.
En algunas ocasiones, la máquina frigorífica extrae calor directamente
de los locales a refrigerar, diciéndose que se trata de un sistema de
enfriamiento directo. En otras ocasiones, la refrigeración de los locales se
efectúa mediante un fluido intermedio, denominado refrigerante secundario o
frigorífero, que transporta el calor extraído de los locales hasta la máquina
frigorífica propiamente dicha, diciéndose que se trata de un sistema de
enfriamiento indirecto.
En cualquier caso, la producción de frío propiamente dicha, se efectúa
mediante la vaporización a presión reducida de un líquido, que recibe el
nombre de refrigerante o frigorígeno, mientras que la cesión de calor al
ambiente tiene lugar mediante la condensación a una presión más elevada del
vapor del frigorígeno así formado. Sin embargo, la aportación de la energía
exterior precisa para el accionamiento de la máquina puede efectuarse en
forma de trabajo o en forma de calor, correspondiendo el primer caso a las
máquinas frigoríficas de compresión de vapor y el segundo a las máquinas
frigoríficas de absorción de vapor.
Puesto que las máquinas frigoríficas de compresión de vapor poseen un
coeficiente de eficiencia energética más elevado que el de las máquinas de
absorción, estas últimas son menos utilizadas y su empleo se restringe a
aquellos casos en que o bien se dispone de una fuente de energía térmica
residual o gratuita, o bien no existe la posibilidad de utilización de energía
eléctrica.
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2.2. Refrigeración por compresión de vapor.
A continuación, se van a analizar los fenómenos termodinámicos de las
máquinas frigoríficas de compresión mecánica de vapor, las cuales son
capaces de bombear calor desde un recinto, que se encuentra a una
temperatura inferior a la de su ambiente, hasta éste, merced a una aportación
de trabajo desde el entorno, según se indica en la Figura 3.
Figura 3. Refrigeración por compresión de vapor.
La cantidad de calor extraída del foco frío en la unidad de tiempo (Q1),
es decir, el frío producido en la unidad de tiempo, se denomina potencia
frigorífica de la máquina.
La relación existente entre la potencia frigorífica desarrollada por la
máquina y la potencia consumida, se denomina eficiencia, representándose por
COP (“coefficient of performance” ).
COP  Q1 / W
2.2.1. Ciclo ideal: ciclo inverso de Carnot.
En la máquina de compresión mecánica de vapor, la extracción de calor
del foco frío, se efectúa mediante la vaporización de un líquido a baja presión y
la cesión de calor al foco caliente, mediante la condensación, a una presión
más elevada, del vapor formado. En las Figuras siguientes, se representan el
ciclo descrito por una máquina frigorífica de Carnot que funcione según este
procedimiento y un diagrama de flujo esquemático de la misma.
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Figura 4. Ciclo inverso de Carnot.
El líquido 1, saturado a la temperatura Tc que descarga el condensador,
sufre una expansión isentrópica, proceso 1-2, produciendo una cantidad de
trabajo We y disminuyendo su temperatura hasta el valor Te correspondiente al
foco frío, al mismo tiempo que se produce un ligero aumento de su título. El
vapor húmedo 2, experimenta en el evaporador una vaporización parcial,
proceso 2-3, totalmente reversible, con lo que absorbe del foco frío una
cantidad de calor qe. El vapor húmedo 3 producido en el evaporador es
aspirado por el compresor, proceso 3-4, en donde sufre una compresión
isoentrópica que eleva su temperatura desde el valor Te del foco frío, hasta la
temperatura Tc, cede al foco caliente una cantidad de calor qc, según un
proceso totalmente reversible, con lo cual condensa y se cierra el ciclo.
De acuerdo con el Primer y Segundo Principio de la Termodinámica y
teniendo en cuenta que el proceso total es cíclico:
W  WC  We
La eficiencia de la máquina frigorífica de Carnot, es una función
exclusiva de las temperaturas de ambos focos; de acuerdo con el Segundo
Principio de la Termodinámica, se puede expresar por:
COPCarnot  T 1 /(T 2  T 1)  1 /(T 2 / T 1  1)
Por otra parte, también como consecuencia del Segundo Principio de la
Termodinámica, se sabe que ninguna máquina frigorífica puede tener una
eficiencia superior a la de una de Carnot que operase entre los mismos focos,
es decir: COP≤COPCarnot.
La desigualdad anterior indica que la cota máxima que puede alcanzar la
eficiencia de cualquier máquina frigorífica, es tanto más pequeña cuanto menor
es la temperatura del foco frío, o cuanto mayor es la diferencia entre la del foco
caliente y la de aquél, de donde se deduce que la producción de frío, será tanto
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más cara cuanto menor sea la temperatura a la que se debe producir éste.
También es importante observar que el efecto frigorífico de una máquina dada,
será tanto menor en un ambiente cálido que en uno frío.
La relación entre la eficiencia de una máquina frigorífica determinada y la
de una de Carnot que operase entre los mismos focos, se denomina grado de
reversibilidad o coeficiente económico de la instalación. El grado de
reversibilidad expresa, en tanto por uno, la aproximación del comportamiento
de una máquina dada al modelo ideal, constituido por la máquina frigorífica
totalmente reversible.
2.2.2. La máquina frigorífica de compresión mecánica
simple de vapor.
Aunque la máquina frigorífica de Carnot es la que posee un efecto
frigorífico más elevado, su realización práctica presenta serias dificultades. Por
ejemplo, el expansor, máquina muy delicada y de funcionamiento
extraordinariamente perturbable, produce en este ciclo, una cantidad de trabajo
muy pequeña, no estando justificada, desde un punto de vista económico, la
inversión correspondiente. Por este motivo, de carácter exclusivamente
económico, se sustituye la expansión isoentrópica por un estrangulamiento
isoentálpico en una válvula de laminación, con lo que se obtiene la máquina de
compresión mecánica simple de vapor, representada en la Figura 5.
Figura 5. Máquina de compresión mecánica simple de vapor.
Las condiciones en la aspiración del compresor varían con la potencia
frigorífica desarrollada, salvo que su variación se reduzca mediante el empleo
de mecanismos de control adecuados. Cuando el compresor aspira una mezcla
de líquido y vapor, se dice que la instalación opera en régimen húmedo,
Figura 6a, y cuando aspira exclusivamente vapor se dice que opera en régimen
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seco, especificándose régimen seco saturado, Figura 6b, o régimen seco
recalentado, Figura 7, según lo sea el vapor aspirado por el compresor.
Por motivaciones basadas en el dimensionamiento del evaporador, es
deseable que éste no descargue vapor recalentado; también es deseable, por
cuestiones relacionadas con la lubricación del compresor, que la temperatura
en la impulsión de éste, sea lo más baja posible. Por estas razones parece, en
principio, que las máquinas frigoríficas deberían operar en régimen húmedo, sin
embargo en estas condiciones se pueden presentar graves problemas en el
funcionamiento del compresor: el llamado golpe de líquido, ocasionado por la
presencia de fase condensada al final de la compresión. Como consecuencia,
el funcionamiento de las instalaciones de compresión mecánica simple de
vapor se regula de modo que operen en régimen seco saturado o ligeramente
recalentado.
(a) Régimen húmedo
(b) Régimen seco saturado
Figura 6.
Figura 7. Régimen seco recalentado.
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Por lo que resulta que el efecto frigorífico de la máquina de compresión
mecánica simple que opera en régimen seco saturado, es una función
exclusiva de las presiones de evaporación y de condensación y del
refrigerante. Se comprueba fácilmente que el efecto frigorífico, para un
refrigerante dado, aumenta cuando la presión de condensación se aproxima a
la de evaporación y es tanto menor cuanto más pequeña sea ésta última
2.2.3. Refrigerantes.
La idoneidad de una sustancia para ser utilizada como refrigerante en
una determinada aplicación, depende de sus propiedades termodinámicas,
físicas y químicas, de sus características de seguridad y de otros factores, tales
como su coste o su disponibilidad. Por desgracia, no existe en la actualidad
ninguna sustancia que pueda ser considerada como refrigerante ideal y para
cada aplicación práctica debe seleccionarse aquel refrigerante que resulte más
apropiado.
Las diversas sustancias susceptibles de ser empleadas como
refrigerantes han sido clasificadas, de acuerdo con su potencial peligrosidad,
en el Reglamento de Seguridad para plantas e instalaciones frigoríficas, en tres
distintos tipos. Los incluidos en el primer grupo, refrigerantes de alta seguridad,
son no combustibles y de acción tóxica nula o muy ligera; los del segundo
grupo, refrigerantes de media seguridad, presentan efectos tóxicos o corrosivos
o bien su mezcla con el aire puede ser combustible o explosiva, a partir de un
3’5% en volumen; finalmente se incluyen en el tercer grupo, refrigerantes de
baja seguridad, aquellas sustancias que originan mezclas combustibles o
explosivas a concentraciones inferiores al 3’5% en volumen.
Los refrigerantes del primer grupo podrán utilizarse, con cualquier
sistema de refrigeración y en cualquier tipo de locales, siempre que la carga de
refrigerante sea inferior a la máxima especificada en la MI.IF.004; de superarse
esta limitación de la carga máxima de refrigerante, el equipo frigorífico deberá
ubicarse en una sala de máquinas. Los refrigerantes del grupo segundo podrán
utilizarse en instalaciones centralizadas, pero sólo con sistemas de
refrigeración indirectos cerrados o dobles indirectos; en cualquier caso, su
empleo se hará siempre con la limitación de carga expresada en la MI.IF.004.
Los refrigerantes del tercer grupo sólo podrán utilizarse en locales industriales
o en laboratorios, encontrándose siempre limitada su carga máxima.
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2.3. Refrigeración por absorción de vapor.
Las máquinas frigoríficas de absorción de vapor son máquinas
frigoríficas de compresión térmica. En este tipo de máquinas, la transferencia
de calor desde el foco frío (recinto que se desea refrigerar) hacia el ambiente
se hace posible por la aportación de calor a la máquina desde un tercer foco
más caliente.
El coeficiente de eficiencia energética de una máquina de absorción es
siempre menor que el de una máquina de compresión mecánica que opere
entre las mismas temperaturas del foco frío y del ambiente.
COPabs < COPcomp
Por esta razón, las máquinas frigoríficas de compresión mecánica han
tenido mayor difusión en el pasado, en tiempos con bajos costes de la energía
primaria. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la comparación de
eficiencias entre ambas máquinas no debería hacerse en función del consumo
de energía final de la máquina, sino en función del consumo de energía
primaria que ocasiona: el accionamiento eléctrico de las máquinas de
compresión mecánica está realmente penalizado por la baja eficiencia de la
producción de energía eléctrica; además debe ponerse de manifiesto que las
máquinas de absorción también pueden accionarse mediante energías
residuales o mediante energía solar, lo que aumente enormemente su atractivo
actual y ha permitido que en las dos últimas décadas se estén desarrollando
muy rápidamente.
Otro gran atractivo de las máquinas de absorción actuales es que
utilizan fluidos de trabajo que no son contaminantes ni perjudiciales para la
capa de ozono.
El ámbito de aplicación actual de las máquinas de absorción es la
producción de frío solar, que puede ayudar a la reducción de los consumos
punta de energía eléctrica que se producen en verano debido al uso
generalizado del acondicionamiento de aire. En grandes instalaciones, con
potencias frigoríficas entre 100 kW y 1 MW, se está generalizando el uso de
máquinas de absorción para optimizar instalaciones de cogeneración, dando
lugar a lo que se conoce como trigeneración: generación de calor, frío y
energía eléctrica.
El ciclo de absorción de vapor se estudiará en detalle en el apartado 3.5.
(ver apartado 3.5. Absorción).
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