Resumen
En
el presente trabajo se analiza el comportamiento de refrigerantes secundarios a
base de CaCL2 y PG en un equipo chiller, esto mediante la comparación de sus
curvas de enfriamiento, las mismas que se obtienen a distintos valores de
concentración de la solución y con variaciones de los caudales de circulación
del refrigerante secundario, con la finalidad de encontrar parámetros que
permitan tener un funcionamiento óptimo y eficiente del equipo chiller, los
parámetros encontrados en este trabajo sirven como base para implementar
sistemas de refrigeración nuevos o realizar cambios en sistemas existentes en
el cual se analiza variantes para realizar la selección de un refrigerante
secundarios que se adapte a requerimientos específicos del usuario.
Palabras
claves: Chiller; anticongelante; propilenglicol;
cloruro de calcio; curvas de enfriamiento; refrigerante secundario.
Abstract
In
the present work, the behavior of secondary refrigerants based on CaCl2 and PG
in a chiller is analyzed, by comparing their cooling curves, which are obtained
at different concentration values of the solution and with variations of the
circulating flows of the secondary refrigerant, with the purpose of finding
parameters that allow to have an optimal and efficient functioning of the
chiller equipment, the parameters found in this work serve as a basis to implement
new refrigeration systems or to make changes in existing systems in the which
analyzes variants to perform the selection of a secondary refrigerant that is
adapted to specific user requirements.
Keywords:
Chiller Antifreeze; propylene glycol; calcium chloride; cooling curves;
secondary coolan.
Resumo
No presente trabalho, analisa-se o
comportamento de refrigerantes secundários baseados em CaCl2 e PG em um
chiller, comparando suas curvas de resfriamento, obtidas em diferentes valores
de concentração da solução e com variações dos fluxos circulantes do
refrigerante secundário, com Com o objetivo de encontrar parâmetros que
permitam ter um funcionamento ideal e eficiente do equipamento de resfriador,
os parâmetros encontrados neste trabalho servem como base para implementar
novos sistemas de refrigeração ou para fazer alterações nos sistemas existentes
nas variantes de quais variantes para realizar a seleção. de um refrigerante
secundário que é adaptado aos requisitos específicos do usuário.
Palavras-chave:
Anticongelante refrigerador; propilenoglicol; cloreto de cálcio; curvas de
resfriamento; coolan secundário
Introducción
Los
sistema de refrigeración tanto a nivel doméstico, comercial e industrial son
grandes consumidores de energía por lo cual en los últimos años se ha
incrementado notablemente la necesidad de contar con un consumo de energía más
eficiente, tomando en cuenta además el impacto ambiental y el factor económico
de estos sistemas [1] [2].
Los
procesos de refrigeración deben ser analizados con la finalidad de contar con
sistemas eficientes con un alto valor de COP, para esto es necesario buscar
mejoras en el rendimiento de los elementos del sistema, analizar los
refrigerantes considerando que estos sean seguros, detectar averías que afectan
al sistema [2] y analizar las condiciones del medio y del fluido a refrigerar
tomando en cuenta la temperatura [3].
El
sistema de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado [4]
y entre sus principales componentes se encuentran el compresor, condensador,
válvula de expansión y el evaporador, este sistemas es el que utiliza el equipo
chiller para llevar a cabo el proceso de refrigeración.
El Chiller
El chiller es una planta de
enfriamiento industrial y comercial que funciona como un sistema de
refrigeración indirecto, esto significa que el refrigerante del ciclo de
refrigeración no está en contacto directo con el proceso que se lleva a cabo en
la planta industrial, en este caso el refrigerante absorbe calor del medio de
enfriamiento conocido este como refrigerante secundario o fluido secundario el
mismo que es impulsado por una bomba hacia el proceso de la planta industrial.
Figura
1: Equipo
chiller
Realizado
por: Autores
El sistema indirecto
tiene la ventaja de minimizar las fugas y la carga de refrigerante [5]
ya que para refrigerar unidades y terminales remotos se necesitaría gran
capacidad del sistema y gran cantidad de refrigerante elevando así el costo de
la instalación.
Refrigerantes
Secundarios
Los
refrigerantes secundarios generalmente no cambian de fase a diferencia del
refrigerante primario del ciclo de refrigeración, para este fin se usa agua
pero para requerimientos a temperaturas menores de 0°C se usa soluciones
compuestas por agua y anticongelante. Entre las soluciones acuosas más
utilizadas se encuentran las soluciones de etilenglicol y propilenglicol,
alcohol etílico, cloruros de sodio y cloruros de calcio y sales de potasio [5].
Al
analizar la selección de un anticongelante para refrigerante secundario se debe
tomar en cuenta que la transferencia de calor también puede intensificarse
mediante el uso de fluidos de transferencia de calor con propiedades
favorables, [6] además debe tomarse en cuenta las características del fluido en
lo referente a inflamabilidad, corrosión, nivel de toxicidad, contaminación, manipulación
segura, y principalmente la consideración de que un refrigerante secundario no
es ideal para toda aplicación. [7]
Solución
de CaCl2
De
los anticongelantes nombrados anteriormente los de menor costo son los
cloruros, pero tienen la desventaja de ser altamente corrosivos, en lo
referente al CaCl2 tiene entre sus principales características: alto
calor específico, es no toxico y posee bajo punto de congelación incluso menor
que la solución de NaCl, razones por las cuales es muy usado en aplicaciones de
refrigeración industrial. En un estudio anterior se realizaron pruebas
experimentales con CaCl2 con la finalidad de analizar su
comportamiento y obtener un histórico de temperaturas por lo que nace la
expectación de comparar este comportamiento con el de otro anticongelante que
tenga aplicaciones similares.
La
adición de EG o PG al agua deprime el punto de congelación de la mezcla, pero
también disminuye su conductividad térmica ya que los glicoles tienen menor
conductividad térmica que el agua [8], además se tiene alta viscosidad
especialmente a bajas temperaturas, entonces la transferencia de calor es débil
y la caída de presión es alta por lo que se necesita un incremento de la
velocidad del flujo para una mejor transferencia de calor [9]. EG tiene mayor
conductividad térmica que el PG pero debido a la toxicidad del EG, este es
sustituido por PG [10].
Análisis
de la nueva propuesta de refrigerante secundario para cambiar el funcionamiento
del equipo chiller.
En
regiones frías del mundo el fluido de transferencia de calor es una mezcla de
PG y agua para evitar el congelamiento [8], tiene
atractivas propiedades como solvente, humectante, anticongelante que combinado
con su relativo bajo nivel de toxicidad, han dirigido su extensa utilización en
un largo número de productos industriales y comerciales.
La
FDA clasifica al PG como un aditivo que es generalmente reconocido como seguro
para su uso en alimentos. PG es comúnmente el mejor constituyente de
anticongelantes y líquidos de deshielo de carros, aviones y barcos [11],
es considerado un refrigerante de grado alimenticio
por lo tanto se lo escoge para calentadores solares de agua y en la industria
alimenticia [12] y también
es ampliamente utilizado en el campo farmacéutico como vehículo para el
suministro de fármacos, estabilizante para vitaminas, bacteriostático y fungistático
este amplio uso en el sector farmacéutico es sostenido gracias a su poca
toxicidad ya sea en el suministro oral o por vía intravenosa [13],
todas las propiedades favorables mencionadas anteriormente han incentivado el
estudio del comportamiento del PG, teniendo en cuenta que la
temperatura mínima de congelación de la solución acuosa a base de PG es de
-51°C [14] pero como se mencionó anteriormente al aumentar su concentración y
disminuir su temperatura aumenta la viscosidad lo que involucra mayores
pérdidas por fricción y a su vez mayor potencia de bombeo, por lo que
generalmente se usa a temperaturas de alrededor de -10°C, que es la temperatura
mínima que se analiza en este estudio.
En
este artículo se analiza el comportamiento de dos soluciones acuosas que
funcionan como refrigerante secundario, los mismos que trabajan a similares
condiciones de trabajo y entorno para encontrar las características de cada
comportamiento. El resto del documento cuenta con las siguientes partes:
metodología, comparación entre el comportamiento del CaCl2 y PG y
conclusiones encontradas en este trabajo y los análisis posteriores que se
deben realizar para consolidar el conocimiento acerca de este tema.
Definiciones
del proceso de refrigeración
CALOR: El calor es una
forma de energía que cuantifica la diferencia que existe entre un estado
inicial y final debido a un proceso que produce cambios en la energía interna
de un cuerpo (Callen Herbert, 1985), de acuerdo con la
segunda ley de la termodinámica el calor fluye de un cuerpo con mayor energía a
uno con menor energía [16] por lo que siempre que
exista una diferencia de temperatura existirá flujo de calor.
Las
características de los fluidos y de las paredes de los elementos de
transferencia de calor y adicionalmente la diferencia de temperatura son
factores que determina la cantidad de calor transferido como se muestra en la
ecuación siguiente según [16]
|
|
(1)
|
Dónde:
Q:
Calor transferido [W]
A:
Superficie total de transferencia de calor [m^2]
U:
Coeficiente global de transferencia de calor [W/°C-m^2]
∆T:
Diferencia de temperatura entre refrigerante y medio condensante [°C]
Las
propiedades del fluido de enfriamiento influyen sobre el coeficiente global de
transferencia de calor y este a su vez en la transferencia de calor
En
el instante en que consigue un equilibrio térmico entre los sistemas que se
encuentran interactuando deja de existir la transferencia de calor. El calor
puede presentarse en forma de calor latente y sensible, los mismos que se
detallan a continuación:
CALOR SENSIBLE
es calor necesario para elevar la
temperatura del fluido sin que en este se produzca cambio en su estructura y
por lo tanto no se produce un cambio de estado.
CALOR LATENTE
es el término usado para designar al calor
que produce un cambio en la fase de una sustancia pero no de la composición de
la misma. Es un tipo de calor en el que no se percibe cambios de temperatura.
Figura
1:
Diagrama calor vs temperatura
Fuente: Rodríguez, 1990 [17]
TEMPERATURA:
Puede definirse como la medida que cuantifica las sensaciones de calor y frio [18], es de decir mide la capacidad que poseen los cuerpos
para transportar calor, la temperatura no depende de la masa debido a que se la
considera una propiedad intensiva. A nivel molecular la temperatura está
relacionada con la velocidad que tienen las moléculas lo que conlleva a que
mayor movimiento de las moléculas se tiene mayor temperatura.
FLUJO:
Se describirse como la cantidad de
volumen de un fluido que pasa por unidad de tiempo por una sección de un
sistema cualquiera, expresandose esto en la siguiente
ecuacion [19]:
|
|
( 2)
|
Dónde:
Metodología
La comparación de
refrigerantes secundarios no puede basarse en el análisis de una sola propiedad,
debido a que varias propiedades termodinámicas tienen influencia en el
funcionamiento del equipo chiller. Cuando se analiza el uso de un refrigerante
secundario para un sistema de refrigeración, puede realizarse a sistemas
existentes con un fluido mejorado o a un sistema nuevo. En el caso de un
sistema ya existente sus componentes tales como las tuberías, bomba e
intercambiadores de calor permanecen sin cambio solo el refrigerante secundario
y el flujo de masa son cambiados [9], en este estudio se realizó el cambio de
refrigerante secundario en el equipo chiller de CaCl2 a PG y se trabajó
a distintas concentraciones y caudales de circulación.
Para comparar el
comportamiento de los refrigerantes mencionados se realizó pruebas experimentales
a las mismas condiciones que en el caso de la experimentación con CaCl2.
El sistema de adquisición de datos crea un historial de temperatura y caudal
del refrigerante secundario y genera un reporte el mismo que se analiza para
obtener las curvas de enfriamiento.
Figura 2:
Panel de control y de adquisición de datos del chiller
Realizado por: Autores
Las
pruebas se realizaron con un volumen de 218 litros de solución acuosa a tres
distintas concentraciones siendo las siguientes a 15%, 21% y 30% de PG, para
cada concentración se realizaron cuatro pruebas a distintos caudales, esto se
lo consiguió variando la apertura de la válvula de la línea de circulación de
PG a 25%, 50%, 75%, y al 100% mediante el control de un servomotor para este
fin.
Entre las características del equipo se encuentran las
siguientes:
·
Potencia
unidad condensadora: 3 HP
·
Potencia
bomba: 1/2 HP
Determinación del Cop
Antes
se define cada estado con el uso de una tabla de propiedades para el
refrigerante R404a y se realiza la extrapolación y comprobación en el diagrama
de Mollier de cada estado del ciclo estándar de refrigeración por compresión de
vapor.
Tabla 1:
Estados del ciclo estándar de refrigeración
por compresión
|
Estado
|
P[Psia]
|
P [MPa]
|
T[°C]
|
h [kJ/kg]
|
|
1
|
57,7
|
0,397
|
-1,1
|
370
|
|
2
|
216,7
|
1,494
|
49
|
401,7
|
|
3
|
216,7
|
1,494
|
22
|
231
|
|
4
|
57,7
|
0,397
|
-13
|
231
|
Realizado por: Autores
Figura 3: Ciclo estándar de refrigeración por compresión de vapor
Fuente: (https://fullserviceparana.blogspot.com/2015/01/manual-buenas-practicas-en_20.html)
Para
determinar la eficiencia frigorífica se necesita además calcular el COP máximo
del ciclo de Carnot, el mismo que se calcula a condiciones ideales, por lo que
se tiene como temperatura caliente 30°C que es la temperatura de condensación y
como temperatura fría de -13°C que es la temperatura de evaporación que es la
mínima alcanzada por el refrigerante en el ciclo de refrigeración:
|
|
(3)
|
Dónde:
COP Max: COP
máximo de Carnot [-]
TC:
Temperatura fría [K]
TH:
Temperatura caliente [K]
|
|
(4)
|
Dónde:
η r:
Eficiencia frigorífica [-]
COP Max: COP
máximo de Carnot [-]
COP Fun.: COP
Teórico de funcionamiento [-]
Este
valor de eficiencia frigorífica es el mismo obtenido para el equipo cuando se
realizaron las pruebas con CaCl2, por lo que se determina que una leve
variación en las presiones de alta y de baja no produce cambios significativos
en la eficiencia del equipo, esto debido a la configuración del equipo que
trabaja a un grado de recalentamiento constante con un valor de 11,9°C siendo
este el resultado del recalentamiento producido en el evaporado y un
recalentamiento ambiental producido en los conductos del refrigerante.
Comparación del comportamiento de CaCl2
Y PG.
Entre
las pruebas realizadas al 15%, 21% y 30% de concentración para ambas soluciones
se analizó tres aspectos fundamentales el flujo, la temperatura y la velocidad
de enfriamiento. Mediante los datos obtenidos durante las pruebas realizadas se
obtuvo curvas de enfriamiento en los aspectos ya mencionados, obteniendo estas
curvas por la variación de la apertura de la válvula.
Curvas de enfriamiento para la
concentración de 15%
Figura 4: Comparación
del caudal concentración 15% válvula 100%.
Realizado por: Autores.
Figura 5: Comparación
de la temperatura concentración 15% válvula 100%
Realizado por: Autores.
Del análisis del comportamiento de
las dos soluciones para la concentración al 15% se aprecia que la solución de
PG alcanza los -4°C en un tiempo aproximado de 100 minutos mientras que la
solución de CaCl2 necesita solo de 55 minutos para llegar a la misma
temperatura lo que representa que se necesita que el equipo se encuentre
encendido 45 minutos adicionales para conseguir enfriar la salmuera, respecto
al caudal para las dos soluciones se aprecia que no existe una diferencia mayor
de 1°C con la particularidad de que en la solución de PG se produce un
decremento brusco de caudal cuando se acerca a la temperatura de congelación de
la salmuera.
Figura 6: Comparación
del caudal concentración 15% válvula 25%.
Realizado por: Autores
Figura 7: Comparación
de la temperatura concentración 15% válvula 25%.
Realizado por: Autores
A
medida de que aumenta la estrangulación de la válvula los datos van variando
manteniéndose mayor el caudal en todas las pruebas para el PG en comparación al
CaCl2, aunque al hablar de velocidad de enfriamiento, es mayor la del CaCl2
existen pequeñas concordancias en los valores de temperatura siendo más
notorios en la apertura de 25% de la válvula durante los 25 minutos iniciales
de experimentación.
Se alcanza los -10°C con la solución de CaCl2 en 80 minutos, pero con la
solución de PG alcanza los -4,3 °C en 105 minutos.
Tabla 2: Velocidad de enfriamiento para la
concentración de 15% y válvula al 100%
|
T
[°C]
|
CaCl2
[°C/ min]
|
PG
[°C/ min]
|
Error
[%]
|
|
20
a 10
|
0,506
|
0,351
|
30,6
|
|
10
a 0
|
0,462
|
0,226
|
51,0
|
|
0
a -4
|
0,343
|
0,116
|
66,1
|
Realizado por: Autores
Curvas
de enfriamiento para la concentración de 21%
Al
aumentar la concentración de ambas soluciones, sigue existiendo el mismo suceso
en cuanto al caudal es mayor para la solución de PG aunque se va acortando la
diferencia, la tendencia de la velocidad de enfriamiento es mayor para la
solución de CaCl2 con un aumento en el tiempo de enfriamiento, se alcanza los
-8°C en un tiempo de 120 minutos, 30 minutos más que la solución de CaCl2.
Figura 8: Comparación
del caudal concentración 21% válvula 100%.
Realizado por: Autores
Figura 9: Comparación
de la temperatura concentración 21% válvula 100%.
Realizado por: Autores
Para
la solución al 21% es visible la diferencia que existe en el tiempo de
enfriamiento como en el caso anterior, ya que para la solución de PG toma 115
minutos aproximadamente para llegar a los -7°C mientras que para la solución de
CaCl2 es de 75 minutos correspondiendo esto a una diferencia de 40 minutos
adicionales con PG para llegar a la misma temperatura.
Si se analiza el comportamiento del caudal se
visualiza que para la solución de CaCl2 existe una variación de casi 2 litros
por minuto, mientras que para propilenglicol es menor que 1 litro por minuto.
Figura 1:
Comparación del caudal concentración 21%
válvula 25%.
Realizado por: Autores
Figura 2:
Comparación de la temperatura
concentración 21% válvula 25%.
Realizado por: Autores
Se
ve un aumento en la temperatura de enfriamiento en cuanto aumenta la
concentración de PG, a la vez que aumenta el tiempo de enfriamiento, el error
en cuanto a la velocidad de enfriamiento es menor en cuanto a la concentración
del 15%.
Tabla 3: Velocidad de enfriamiento para la concentración de 21% y
válvula al 100%
|
T
[°C]
|
CaCl2
[°C/ min]
|
PG
[°C/ min]
|
Error
[%]
|
|
20
a 10
|
0,420
|
0,323
|
23,0
|
|
10
a 0
|
0,405
|
0,220
|
45,6
|
|
0
a -7
|
0,280
|
0,157
|
43,9
|
Realizado por: Autores
Curvas de enfriamiento para la
concentración de 30%
Se
aprecia de mejor manera la similitud de datos en cuanto a la temperatura ya que
la tendencia de la velocidad de enfriamiento se acerca más entre ambas
soluciones por ende el error de la velocidad de enfriamiento disminuye.
Figura 3:
Comparación del caudal concentración 30%
válvula 100%.
Realizado por: Autores
Figura 4:
Comparación de la temperatura
concentración 30% válvula 100%.
Realizado por: Autores
La solución de PG necesita de 155
minutos para alcanzar la temperatura de -10°C a diferencia de la solución de
CaCl2 que necesita solo de 120 minutos, lo que representa una diferencia de 35
minutos, de manera similar que en la solución al 21% la diferencia de caudal es
similar notándose una diferencia menor de 2 litros ara CaCl2 y menor de un
litro por minuto para PG.
Figura 14: Comparación
del caudal concentración 30% válvula 25%.
Realizado por: Autores
Figura 15: Comparación
de la temperatura concentración 30% válvula 25%.
Realizado por: Autores
Tabla 4: Velocidad de enfriamiento para la concentración de 30% y
válvula al 100%.
|
T
[°C]
|
CaCl2
[°C/ min]
|
PG
[°C/ min]
|
Error
[%]
|
|
20
a 10
|
0,308
|
0,286
|
7,14
|
|
10
a 0
|
0,254
|
0,224
|
11,8
|
|
0
a -10
|
0,203
|
0,131
|
35,4
|
Realizado por: Autores
El caudal sigue siendo mayor lo que
implica que mantiene mejores propiedades en cuanto a fluidez por parte de la
solución de PG, aunque si se alcanzó los -10°C con esta solución se llevó
alrededor de 155 minutos y por parte de la solución de CaCl2 en un tiempo de
120 minutos siendo menor el tiempo de enfriamiento del CaCl2 pero con menor
fluidez.
Conclusiones
De
todas las pruebas experimentales para ambas concentraciones se pudo obtener
curvas de enfriamiento donde comparamos el comportamiento del caudal y de la
temperatura, para cada concentración se llegó a obtener
temperaturas cercanas a la temperatura de congelación de la solución donde se
constató que para todas las concentraciones se produce una gran caída de
presión y a medida de que la solución se acerca a la temperatura de congelación
disminuye drásticamente el caudal debido al incremento de la densidad siendo
más notorio en la solución de CaCl2, ya que al aumentar excesivamente la
densidad de la solución empieza a existir un sobreesfuerzo en la bomba debido a
la oposición que tiene la solución a fluir provocando que se mas difícil
impulsar el fluido.
Aunque en el aspecto de temperatura
se llega alcanzar temperaturas de enfriamiento de -10°C con la solución de
CaCl2 con la concentración de 15% , 21% y 30% en menor tiempo a la
concentración de PG con la cual se obtuvo -10°C una concentración de 30% , las
velocidades de enfriamiento no difieren tanto entre si dándonos errores del 15%
a la concentración de 30% por lo cual es justificable el cambio de medio de
refrigeración secundaria de usar salmuera en base CaCl2 a usar solución de PG.
Debido a que PG al ser
un líquido es más fácil de manejar en presencia del agua, caso contrario con el
CaCl2 porque al ser una especia de escamas en contacto con el agua tienden a
formar sedimentos mismos que a la larga acarrean la obstrucción del paso del
fluido a la bomba por lo cual es necesario un agitador ocasionando mayores
inconvenientes al momento de realizar las pruebas, otra desventaja es que el
CaCl2 es toxico en relación al PG, a su vez el PG se lo puede usar con más
materiales que a diferencia del CaCl2 que es altamente corrosivo, la coloración
que se produce al mezclar el agua con el CaCl2 es un tanto amarillenta por lo
cual se dificulta la inspección del taque al no poder observar debido al color
que obtiene la solución cosa que no sucede con el PG ya que es totalmente
cristalino al igual que el agua facilitando así la inspección del tanque
reservorio.
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