Sistema En Cascada Y Sus Aplicaciones

Sistema en Cascada y sus Aplicaciones

Sistema en Cascada y sus Aplicaciones

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Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas ¬(<-50C). Últimamente este tipo de sistema se ha vuelto más popular al ser necesario en aplicaciones de baja temperatura utilizando R744 (CO2) como refrigerante en sistemas conocidos como subcríticos.

Distintos sectores encuentran en los sistemas en cascada la mejor solución para lograr eficiencia y rendimiento en sistemas de baja temperatura.

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Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas ¬(<-50C). Últimamente este tipo de sistema se ha vuelto más popular al ser necesario en aplicaciones de baja temperatura utilizando R744 (CO2) como refrigerante en sistemas conocidos como subcríticos.

¿Qué es un sistema en cascada?

Un sistema en cascada consta de dos sistemas independientes de una etapa, donde el sistema con temperatura de evaporación más baja utiliza un intercambiador como condensador para rechazar el calor del mismo, utilizando el evaporador del sistema con temperatura de evaporación más alta. Normalmente se usan refrigerantes diferentes y su aplicación es mayormente para aplicaciones de baja o ultra baja temperatura.(ver diagrama 1 y 3).

Diagrama 1 dos sistemas de un etapa = Sistema en cascada

Beneficios

Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la temperatura de descarga (ver gráfica 1) disminuye en comparación a un sistema de una sola etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del compresor.

Relación de compresión PR, donde P2 es la presion de descarga en psia y P1 es la presión de succión en psia.

Relación de compresión, es el resultado de la división de la presión de descarga y la presión de succión en psia.

Psia = Psig+14.7psi

Psig es la presión manométrica.

Psia es la presión absoluta incluyendo la presión atmosférica.

Gráfica 1 Comparativo temperatura de descarga

Por otro lado, normalmente se utilizan refrigerantes llamados de alta presión cuyas características permiten que la presión de succión sea positiva y no sea necesario trabajar en vacío, aun cuando la temperatura saturada de succión (TSS) sea muy baja. Los refrigerantes R23 y R508B son los más populares para este tipo de aplicaciones.

En la tabla PT se pude observar la temperatura saturada a diferentes presiones comparada con R22 o R404A. A -6.6C (20F) de temperatura se puede ver la diferencia en presiones.

Tabla 1 (Comparativo tabla PT R508B, R404A, R23 y R22)

PRESIÓN-TEMPERATURA PRESIÓN-TEMPERATURA PRESIÓN-TEMPERATURA PRESIÓN-TEMPERATURA

TEMP (F) R508B (psig) TEMP (F) R404A (psig) TEMP (F) R-23 (psig) TEMP (F) R-22 (psig)

-125 0.5 -40 4.3 -125 7.8” -40 0.5

-120 3.1 -35 6.8 -120 4.0” -35 2.6

-115 6.0 -30 9.5 -115 0.3 -30 4.9

-110 9.3 -25 12.5 -110 2.9 -25 7.4

-105 12.9 -20 15.7 -105 5.8 -20 10.1

-100 16.9 -15 19.3 -100 9.0 -15 13.2

-95 21.4 -10 23.2 -95 12.7 -10 16.5

-90 26.4 -5 27.5 -90 16.7 -5 20.1

-85 31.8 0 32.1 -85 21.3 0 24.0

-80 37.8 5 37.0 -80 26.3 5 28.2

-75 44.4 10 42.4 -75 31.8 10 32.8

-70 51.5 15 48.2 -70 37.9 15 37.7

-65 59.3 20 54.5 -65 44.6 20 43.0

-60 67.8 25 61.2 -60 52.0 25 48.8

-55 76.9 30 68.4 -55 60.0 30 54.9

-50 86.8 35 76.1 -50 68.7 35 61.5

-45 97.5 40 84.4 -45 78.1 40 68.5

-40 109 45 93.2 -40 88.3 45 76

-35 121 50 103 -35 99.4 50 84

-30 135 55 113 -30 111 55 92.6

-25 149 60 123 -25 124 60 102

-20 164 65 135 -20 138 70 121

-15 180 70 147 -15 152 80 144

-10 197 80 173 -10 168 90 168

-5 216 90 202 -5 185 100 196

0 235 100 234 0 203 110 226

5 256 110 270 5 222 120 260

10 278 120 310 10 242 130 297

15 301 130 353 15 264 140 337

20 326 140 401 20 297 150 382

Precauciones de operación y diseño

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estén dentro de los límites de aplicación, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue líquido por la succión. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es básicamente un sistema de MT de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parámetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60ºC por precaución de no dañar el compresor, ya que este está hecho de fierro fundido.

También se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la línea de succión y de líquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de “deshielo” para subir la presión de succión, aumentar el flujo másico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y así retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este último método se tiene que probar agregando sólo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamaño del sistema.

Por otra parte, al trabajar con temperaturas tan bajas, se requiere un aislamiento tanto de tuberías como de todas las partes que estén expuestas y que tengan una temperatura más baja que la de rocío y siendo este aislamiento suficiente en las partes donde la temperatura este debajo de 0ºC. Esto es para evitar condensación y/o congelamiento de la humedad en el ambiente.

Diagrama

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