Compresion en doble etapa

Cuando las necesidades de una instalación frigorífica exigen una relación de compresión importante, se prefiere utilizar dos etapas de compresión.

Es el caso, por ejemplo, de un túnel de congelación. Esta aplicación frigorífica necesita una temperatura de evaporación de -30 a -40 oC, para una temperatura de condensación de 25 a 40 oC.

Imaginemos que realizamos este tipo de instalación con R507 y un escalonamiento de compresión; obtenemos entonces el ciclo teórico siguiente:

...

Observacion:

El segmento (1, 2) caracteriza la compresión adiabática y el segmento (1, 2 ') la compresión real.

• Tasa de compresión t = 10,27
• Rendimiento volumétrico nv = 0,49
• Rendimiento indicado ni = 0,49
• Temperatura de fin de compresión 0fc = 114ºC

La temperatura de fin de compresión está cercana a los límites: el aceite corre el riesgo de ser demasiado fluido; en ese caso, la lubricación es nula y el compresor se deteriorará.

¿ Cuál sería el tamaño del compresor de pistones para una potencia frigorífica (Pf) de 20 kW?

1º-Caudal másico:

Qm = Pf/h5-h4 ==> 20/(348-228) ==> 0,1666Kg/s = 600Kg/h

2º-Volumen aspirado

Va= Qm*V" ==> 600 * 0,125 ==> 75,43 m3/s

3º-Volumen barrido:

Vb = Va /nv ==> 75,43/0,49 ==> 153,9 m3/h

Esto significa que, para asegurar las necesidades frigoríficas del túnel, hay que prever un compresor de 153,9 m3/h de volumen barrido, lo que parece enorme.

Potencia en el árbol del compresor:

Pw = Qm*(h2´-h1)/nm ==> 0,1666* (466-360)/0,9 = 19,6 Kw

Esto da un coeficiente de eficiencia frigorífica de 20/19,6 = 1,02, lo que no tiene interés.

La búsqueda de un compresor para esta aplicación sería infructuosa pues las condiciones de funcionamiento se salen de los límites autorizados por los fabricantes. El compresor se calentaría demasiado.

Para responder a las necesidades del cliente (la realización de un túnel de congelación), es necesario aplicar la técnica de la compresión de doble etapa.

Cilindros BP aspiran a la presión de aspiración Pa de 1,65 bares y comprimen y descargan a la presión intermedia Pi. Otros cilindros AP aspiran a la Pi, comprimen y descargan a la presión de descarga Pr de 16,95 bares

Son posibles dos configuraciones:

• 1. los cilindros AP y BP forman parte del mismo compresor ( compresor compound o de doble etapa);
• 2. la compresión se hace con dos compresores: el compresor, BP (booster o precompresor) y el compresor AP.

La realización de este tipo de circuito comienza por la repartición de la compresión en dos compresores, de tal modo que sus relaciones de compresión sean idénticas

Así, tendremos:

t1=t2= Pr/Pi= Pi/Pa

y la presión intermedia tendrá un valor de :

forula raiz cuadrada

Para que el sistema funcione, habrá que preveer también un enfriamiento de los vapores comprimidos por la etapa BP para limitar la temperatura de descarga de la etapa AP.

En el caso de un túnel de congelación, es menos costoso utilizar un compresor de doble etapa, es decir un compresor compound como lo indicado en la image seguiente

El ciclo frigorífico del circuito anterior.

Los cilindros de la etapa AP aspiran vapores a la temperatura de 5oC; en la descarga, la temperatura permanecerá inferior a 54 oC y, en fin de compresión, no sobrepasará los 64 oC.

Esto permite un funcionamiento sin riesgo

Las nuevas condiciones de funcionamiento son:

• Tasa de compresión --------------->Ti = T2 = 3,2
• Rendimiento volumétrico-----------> nv1 = nv2 = 0,84
• Rendimiento indicado -------------> ni1 0 ni2 = 0,84
• Temperatura de fin-compresión-----> 0fc = 54ºC

Volumen barrido de la etapa BP:

El volumen aspirado para una potencia frigorífica de 20 kW permanece idéntico al ya calculado, Vabp = 75,432 m3/h.

Vbbp = Vabp/nv = 75,432/0,84 = 89,8 m3/h

Volumen barrido de la etapa AP:

Para calcular el volumen barrido AP, es necesario conocer el caudal másico de la etapa AP. Puede determinarse a partir del depósito intermedio.

Para resolver el problema, se admite que el balance energético del depósito es nulo, es decir que no hay intercambio de calor con el aire exterior; esto es fácil de imaginar puesto que este tipo de depósito está siempre aislado.

Se dice que la energía que entra en el depósito es igual a la que sale, y planteamos:

qmbp. h2 + (qmap- qmbp). h5 = qmap. h3

Basta con utilizar el álgebra:

qmbp . h2 + qmap . h5 - qmbp . h5 = qmap . h3

qmbp . h2 - qmbp . h5 qmap . h3 - qmap . h5

qmbp. (h2 - h5) qmap. (h3 - h5)

de donde

qmap = qmbp * (h2-h5)/(h3-h5)

Caudal másico de la etapa AP:

El caudal másico BP es el mismo que el calculado para el circuito simple, 0,1666 kgls.

qmap =0,1666*((391-228)/(360-228))= 0,2057

Volumen aspirado AP:

Vaap = qmhp*v"3 = 0,2057 X 0,0388 = 7, 98 x 10-3 m3/s

O sea:

Vaap = 28,7 m3/h

Volumen barrido AP:

Vbap= Vaap/nv= 28,7/0,84= 34,2 m3/h

Características del compresor compound:

Vb = Vbbp + Vbap = 89,8 + 34,2 = 124 m3/h

Recordamos que la compresión simple necesitaba un compresor de volumen barrido igual a 153,9 m3/h

Potencia teórica para la compresión:

Pth = qmbp (h2 - hl) + qmap (h4 - h3)

Pth = 0,1666 X (391 - 360) + 0,2057 X (398- 369)

Pth = 11,13 kW

O sea una potencia en el árbol del compresor de:

Pw = Pth/nm = 11,13/0,9 = 12,3 Kw

Recordamos que la solución de la etapa simple exigía 19,6 kW.

El compresor de etapa simple se utiliza para relaciones de compresión inferiores a 8. El compresor de doble etapa permite el funcionamiento con una relación de compresión global superior a 7, realizando economías de energía.