Fundamentos de Refrigeración Industrial Avanzada y Motores de Compresión

Ciclos de Refrigeración Innovadores: Aplicaciones y Tipos

En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el proceso de refrigeración en etapas, es decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operen en serie.

Ciclo en Cascada

Se conectan dos o más ciclos mediante un intercambiador de calor, el cual sirve como evaporador para el ciclo superior (A) y condensador para el ciclo inferior (B). Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada sistema, lo que hace que la eficiencia aumente en cada una de las etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente. Por ello, también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Asimismo, la temperatura de descarga disminuye en comparación a un sistema de una sola etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y la buena lubricación del compresor.

Ciclo de Absorción

Este es un ciclo en el cual también se requiere de refrigerantes para la transferencia de calor. La refrigeración se consigue aportando calor a una mezcla del refrigerante y otra sustancia (absorbente). En el generador, donde se aporta el calor, el refrigerante se separa del absorbente por ebullición y, por la presión generada, recorre el circuito de alta presión donde se condensa, hasta evaporarse de nuevo en la zona de baja presión (evaporador). Allí, se asocia nuevamente con el absorbente (en el absorbedor) para poder volver juntos y en estado líquido al generador.

Ciclo de Gas con Regeneración

El enfriamiento regenerativo se logra al insertar un intercambiador de calor a contraflujo (regenerador) dentro del ciclo. Con regeneración, el gas de alta presión se enfría aún más (hasta una temperatura T₄ teórica) antes de expandirse en la turbina. La disminución de la temperatura de entrada de la turbina reduce automáticamente la temperatura de salida de la misma, que es la temperatura mínima en el ciclo.

Motor de Encendido por Compresión (Motor Diésel)

Principio de Funcionamiento

La relación de compresión r en el ciclo puede elevarse si, en vez de comprimir la mezcla aire-combustible, se comprime aire puro y, después, una vez finalizado el proceso de compresión, se introduce el combustible en el cilindro.

Durante el proceso de admisión (a-1), en el cilindro se admite aire puro de la atmósfera. En el proceso de compresión (1-2), se realiza la compresión adiabática de este aire hasta la presión P₂ (en los motores con ciclo diésel, la relación de compresión r_p suele estar entre 12 y 24). Luego comienza el proceso de combustión y expansión (2-3): simultáneamente a la expansión inicial del aire, por medio de un inyector especial, se inyecta el combustible (gasoil, aceite diésel). La alta temperatura a la que se encuentra el aire comprimido hace que el combustible se inflame y se queme, idealmente a presión constante (P = constante), lo que asegura la expansión del gas desde el volumen específico v₂ hasta v₃. Por esto, el ciclo diésel ideal se llama también ciclo de combustión a presión constante.

Partes Principales para su Funcionamiento

1. Cilindros

En los motores, se llama cilindro a la cavidad en cuyo interior se mueve el émbolo o pistón, con un movimiento alternativo rectilíneo.

2. Pistones

El pistón debe transmitir la fuerza generada por la presión de los gases, a través de los pasadores y la biela, hasta el cigüeñal. Los pistones son de un diámetro ligeramente menor que el interior de los cilindros para permitir la dilatación y el movimiento.

3. Anillos (Segmentos)

Son elementos circulares metálicos ubicados en ranuras mecanizadas en los pistones. Los anillos cumplen principalmente dos funciones: sellar la cámara de combustión para evitar fugas de gases hacia el cárter y controlar la película de aceite lubricante en la pared del cilindro, evitando que entre en exceso a la cámara de combustión y origine depósitos de carbón en la culata y en la cabeza del pistón.

4. Pasadores (Bulones)

Los pasadores de los pistones son los elementos cilíndricos que conectan los pistones con las bielas, permitiendo la articulación entre ambos.

5. Biela

La biela es la pieza que establece la conexión articulada entre el pistón y el cigüeñal. Está articulada en un extremo al pistón por medio del pasador (pie de biela) y en el otro extremo a las muñequillas del cigüeñal (cabeza de biela).