Hispanopedia WikiEl término subenfriamiento (también llamado enfriamiento insuficiente ) se refiere al proceso intencional de enfriar un líquido por debajo de su punto de ebullición normal . Por ejemplo, el agua hierve a 373 K; a temperatura ambiente (293 K), el agua líquida se denomina "subenfriada". El subenfriamiento es una etapa común en los ciclos de refrigeración y de turbinas de vapor. Algunos motores de cohete utilizan propelentes subenfriados.
En los sistemas de refrigeración, el subenfriamiento del refrigerante es necesario para asegurar la finalización de las etapas restantes del ciclo de refrigeración . La etapa de subenfriamiento garantiza que el refrigerante esté completamente líquido antes de llegar al siguiente paso del ciclo, la válvula de expansión térmica , donde la presencia de gas puede ser perjudicial. [ 1 ] El subenfriamiento se realiza a menudo en intercambiadores de calor .
El subenfriamiento y el sobrecalentamiento , que son procesos similares e inversos, son ambos importantes para la estabilidad y el buen funcionamiento de un sistema de refrigeración. [ 2 ]
Aplicaciones
Funcionamiento de la válvula de expansión y seguridad del compresor
El subenfriamiento se utiliza normalmente para que, cuando el refrigerante llegue a la válvula de expansión termostática, esté completamente en estado líquido , lo que permite que la válvula funcione correctamente. Si llega gas a la válvula de expansión, pueden ocurrir una serie de fenómenos indeseados. [ 3 ] Estos pueden terminar dando lugar a comportamientos similares a los observados con los fenómenos de gas de destello : problemas en la regulación del aceite a lo largo del ciclo; [ 4 ] uso excesivo e innecesario de energía y desperdicio de electricidad ; mal funcionamiento y deterioro de varios componentes de la instalación; rendimiento irregular del sistema en general y, si no se supervisa, equipos arruinados.
Otra aplicación importante y común del subenfriamiento es su uso indirecto en el proceso de sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento es análogo al subenfriamiento desde un punto de vista operativo, es decir, ocurre antes de una etapa en la que el refrigerante en estado líquido-gas interrumpiría el ciclo ( las mezclas líquido-gas incompresibles destruirían el compresor ), y ambos procesos pueden acoplarse mediante un intercambiador de calor interno. El subenfriamiento se realiza entonces simultáneamente con el sobrecalentamiento, permitiendo que el calor fluya desde el refrigerante subenfriado a mayor presión (líquido) hacia el refrigerante sobrecalentado a menor presión (gas). Esto crea una equivalencia energética entre los fenómenos de subenfriamiento y sobrecalentamiento, donde hay poca o ninguna pérdida de energía . Normalmente, el fluido que se subenfría está más caliente que el refrigerante que se sobrecalienta, lo que permite un flujo de energía en la dirección necesaria. Por lo tanto, el subenfriamiento es una fuente de calor fácil y extendida para el proceso de sobrecalentamiento.
Optimización del sistema y ahorro de energía
Permitir que el proceso de subenfriamiento ocurra fuera del condensador (como en un intercambiador de calor interno) es un método para aprovechar al máximo la capacidad de intercambio de calor del condensador . Gran parte de los sistemas de refrigeración utilizan parte del condensador para el subenfriamiento, lo cual, si bien es muy efectivo y sencillo, puede considerarse un factor que reduce la capacidad nominal de condensación. Una situación similar se presenta con el sobrecalentamiento en el evaporador; por lo tanto, un intercambiador de calor interno es una solución eficaz y relativamente económica para maximizar la capacidad de intercambio de calor .
Otra aplicación común del subenfriamiento es el aumento de rendimiento y la optimización del sistema . A diferencia del sobrecalentamiento, el subenfriamiento, o la cantidad de calor extraído del refrigerante líquido durante el proceso de subenfriamiento, se manifiesta como un aumento en la capacidad de refrigeración del sistema. Esto significa que cualquier calor adicional extraído después de la condensación (subenfriamiento) permite una mayor absorción de calor en las etapas posteriores del ciclo . El sobrecalentamiento tiene exactamente el efecto contrario. Un intercambiador de calor interno por sí solo no puede aumentar la capacidad del sistema porque el efecto de aumento de rendimiento del subenfriamiento se ve atenuado por el sobrecalentamiento, lo que hace que la ganancia neta de capacidad sea cero. Algunos sistemas pueden mover refrigerante y/o extraer calor con menos energía porque lo hacen con fluidos a alta presión que luego enfrían o subenfrían fluidos a menor presión (que son más difíciles de enfriar).
En vuelos espaciales
En aplicaciones de vuelos espaciales, el subenfriamiento se refiere a combustibles u oxidantes criogénicos que se enfrían muy por debajo de su punto de ebullición (pero no por debajo del punto de fusión ). [ 5 ] Esto da como resultado una mayor densidad del propulsor y, por lo tanto, una mayor capacidad del tanque de propulsor [ 6 ] y menores pérdidas por vaporización.
Los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Starship de SpaceX emplean subenfriamiento para los propelentes. [ 6 ] [ 7 ] Superenfriamiento es otro término utilizado para esta técnica.
Subenfriamiento natural y artificial
El proceso de subenfriamiento puede ocurrir de diversas maneras; por lo tanto, es posible distinguir entre las diferentes etapas en las que se produce. Normalmente, el subenfriamiento se refiere a la magnitud de la caída de temperatura , que es fácilmente medible, pero también se puede hablar de subenfriamiento en términos del calor total que se elimina. El subenfriamiento más conocido es el subenfriamiento del condensador , que generalmente se define como la caída total de temperatura que tiene lugar dentro del condensador, inmediatamente después de que el fluido se haya condensado por completo, hasta que sale de la unidad condensadora.
El subenfriamiento del condensador difiere del subenfriamiento total generalmente porque después del condensador, a lo largo de la tubería, el refrigerante puede tender naturalmente a enfriarse aún más, antes de llegar a la válvula de expansión, pero también debido al subenfriamiento artificial . [ 3 ] El subenfriamiento total es la caída de temperatura completa que experimenta el refrigerante desde su temperatura de condensación real, hasta la temperatura concreta que tiene al llegar a la válvula de expansión: este es el subenfriamiento efectivo.
El subenfriamiento natural es el nombre que se le da normalmente a la caída de temperatura que se produce dentro del condensador (subenfriamiento del condensador), combinada con la caída de temperatura que ocurre solo a través de la tubería, excluyendo cualquier tipo de intercambiador de calor. Cuando no hay subenfriamiento mecánico ( es decir, un intercambiador de calor interno), el subenfriamiento natural debería ser igual al subenfriamiento total. [ 8 ] Por otro lado, el subenfriamiento mecánico es la temperatura reducida por cualquier proceso artificial que se coloca deliberadamente para crear subenfriamiento. [ 1 ] Este concepto se refiere principalmente a dispositivos como intercambiadores de calor internos, cascadas de subenfriamiento independientes, economizadores o compresores.
Economizador y eficiencia energética
El subenfriamiento es un factor clave para mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración, lo que ha motivado una extensa investigación. Los sistemas que operan a presiones más altas tienden a ser más eficientes, y los compresores utilizados en los circuitos de subenfriamiento suelen ser más eficientes que aquellos que enfrían directamente el refrigerante líquido.
Se están desarrollando compresores de tornillo modernos con capacidad de economizador, [ 9 ] lo que requiere técnicas de fabricación avanzadas. Estos compresores pueden inyectar refrigerante desde un intercambiador de calor interno, en lugar del evaporador principal, en la etapa final del proceso de compresión. En esta configuración, el refrigerante líquido se subenfría a alta presión en el intercambiador de calor, un proceso conocido como subenfriamiento mecánico. Los sistemas de refuerzo son otro enfoque, donde un compresor opera a presiones más altas y con mayor eficiencia, mientras que otro maneja presiones más bajas. A diferencia de los sistemas de refuerzo, los economizadores logran el subenfriamiento con un solo compresor diseñado para economizar.
Los sistemas de subenfriamiento en cascada ofrecen otro método, utilizando un sistema de refrigeración independiente para subenfriar el refrigerante. Si bien son eficaces, estos sistemas son costosos y complejos, ya que requieren compresores dedicados y equipos adicionales. A pesar de esto, resultan interesantes debido a sus beneficios potenciales. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha reconocido el subenfriamiento del refrigerante como una forma confiable de mejorar el rendimiento del sistema y ahorrar energía en una Alerta Tecnológica Federal . [ 10 ] Sin embargo, separar la unidad de subenfriamiento del sistema principal sigue siendo económicamente complejo, ya que requiere sistemas de control sofisticados y costosos para monitorear las condiciones del fluido.
Recientemente, un producto desarrollado en Chile ha introducido el subenfriamiento mecánico en sistemas de refrigeración generales, demostrando la capacidad de aumentar la capacidad del sistema. [ 11 ]
El principio del subenfriamiento es sencillo: la refrigeración adicional que proporciona aumenta directamente la eficiencia del refrigerante, mientras que el sobrecalentamiento la reduce. Los compresores que intervienen en el subenfriamiento operan en mejores condiciones (a presiones más altas), lo que hace que el proceso de refrigeración sea más eficiente. Esto permite que el calor extraído durante el subenfriamiento sea más eficiente energéticamente y rentable que el calor extraído por el sistema principal.
Sistemas de dióxido de carbono transcríticos
En un sistema de refrigeración típico , el refrigerante transita entre los estados gaseoso y líquido. Esto implica sobrecalentamiento y subenfriamiento, ya que el gas debe enfriarse para condensarse en líquido, y el líquido debe calentarse para evaporarse y volver a convertirse en gas. Es prácticamente imposible evitar un ligero subenfriamiento o sobrecalentamiento durante este proceso, lo que hace que el sobrecalentamiento y el subenfriamiento sean inherentes e inevitables en los sistemas de refrigeración convencionales por compresión de vapor.
En cambio, los sistemas transcríticos introducen una fase diferente de la materia para el refrigerante durante el ciclo. Específicamente, el refrigerante (generalmente dióxido de carbono ) no experimenta un proceso de condensación estándar. En su lugar, pasa a través de un enfriador de gas en fase supercrítica . En estas condiciones, los conceptos de temperatura de condensación y subenfriamiento no son del todo aplicables.
Se están realizando importantes investigaciones sobre este tema, centrándose en procesos multietapa, eyectores , expansores y otros dispositivos y mejoras. Gustav Lorentzen propuso modificaciones al ciclo, incluyendo un subenfriamiento interno de dos etapas, para estos sistemas. [ 12 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 Ibrahim Dinçer, Sistemas de refrigeración y aplicaciones. John Wiley & Sons, Segunda edición, 2010, págs. 169-170.
- ↑ Emerson Climate Technologies, Factores a considerar al convertir la capacidad nominal del compresor en capacidad real. Diciembre de 2002, página 1.Archivado el 19 de octubre de 2018 en Wayback Machine.
- 1 2 Acceda a mi biblioteca, ¿Qué importancia tiene el subenfriamiento líquido?
- ↑ Kotza International, El problema del gas de destello
- ↑ "Mejor densificación de propelentes líquidos criogénicos para cohetes" .
- 1 2 "La razón "súper relajada" por la que SpaceX sigue abortando lanzamientos" . 29 de febrero de 2016.
- ↑ Weber, Ryan (31 de octubre de 2021). "Los elementos principales de la plataforma de lanzamiento orbital Starship están listos a medida que se acerca el lanzamiento" . NASASpaceFlight.com . Archivado del original el 5 de diciembre de 2021. Recuperado el 25 de junio de 2024 .
- ↑ Compresores scroll Copeland, compresores scroll con inyección de vapor para bombas de calor dedicadas. Página 6.
- ↑ Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, gama de productos Bitzer A-201-2. Agosto de 2008, página 4.
- ↑ Departamento de Energía de los Estados Unidos de América, Alerta Tecnológica Federal: Subenfriamiento de refrigerantes. Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, noviembre de 1995.
- ↑ Inventor chileno desarrolla un sistema de energía compacto, autónomo y universal.
- ↑ División de Refrigeración y Aire Acondicionado de Danfoss, Sistemas de Refrigeración Transcrítica con Dióxido de Carbono. Julio de 2008, página 8.
- Ciclos termodinámicos
- Bombas de calor