Circuito en cascada

Existen aplicaciones frigoríficas donde la diferencia entre las temperatura de evaporación y de condensación es demasiado importante para encontrar un fluido que dé satisfacción con presiones razonables.

Así, por ejemplo, cuando un laboratorio de investigación desea conocer el comportamiento de un producto sometido a temperaturas inferiores a -50 oC, requiere un equipamiento frigorífico con una temperatura de evaporación de -60 oC y una temperatura de condensación de 35 a 40 oC.

La búsqueda de un fluido refrigerante apropiado llega a ser infructuosa: para condensar a 40 oC no hay dificultades, pero para evaporar a -60 oC permaneciendo por encima de la presión atmosférica, hay poco donde elegir.

Encontramos el R508B cuya temperatura de evaporación a la presión atmosférica es de -88 oC, pero la condensación debe hacerse por debajo de los 5 oC, ya que su temperatura crítica es de 14 oC

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Como consecuencia, para condensar a +40 oC, estamos obligados a emplear un segundo fluido y recurrir a la tecnología de los circuitos en cascada.

La instalación tendrá pues dos instalaciones simples montadas de tal forma que la condensación de un circuito sea llevada a cabo por el evaporador del otro.

La instalación representada en la image y el ciclo termodinámico de cada circuito permite comprender mejor el funcionamiento.

Observamos la diferencia de temperatura entre los dos fluidos al nivel del intercambiador intermedio: condensación a -20 oC para el circuito baja temperatura y evaporación a -26 oC para el circuito alta temperatura.

Esta diferencia de temperatura, que es indispensable para el funcionamiento de la instalación, es la causa de un trabajo suplementario para la compresión de cada fluido. Esto conlleva una disminución del coeficiente de eficiencia pero, para este tipo de utilización, no hay otra solución.

En el circuito baja temperatura, la presión de condensación puede tomar valores muy importantes si el circuito alta temperatura falla: el R508B a +20 oC coge una presión de 45 bares.

Es por eso que el compresor baja temperatura sólo es autorizado a funcionar si el circuito alta temperatura está en marcha y la temperatura del intercambiador intermedio lo suficientemente baja (por debajo de -20 oC en nuestro ejemplo).

El circuito en cascada encuentra así aplicaciones en las bombas de calor de alta temperatura destinadas a la calefacción de los edificios y otros usos industriales. Estas instalaciones de tipo aire/agua calientan el agua a 80 oC a partir del calor tomado del aire del exterior.

Aquí la exigencia es la de evaporar a -20 oC y de condensar a +90 oC. Una solución es utilizar el R410A en el circuito de baja temperatura y el R134a en el circuito de alta temperatura.