Diseño, construcción y evaluación experimental de un prototipo de sistema de refrigeración en cascada con refrigerantes naturales c02 y nh3

Résumé

El objetivo principal de la presente tesis ha sido el diseño, la construcción y la evaluación experimental de un prototipo de sistema de refrigeración en cascada compuesto por dos sistemas de compresión de simple etapa, utilizando NH3 como refrigerante en el sistema de alta temperatura y CO2 en el sistema de baja temperatura, para dar servicio a un armario de congelación de placas horizontales comúnmente utilizado en la industria pesquera local, con una capacidad frigorífica de 9 kW y una temperatura de evaporación de -50 ºC. La instalación experimental ha sido equipada con un sistema de adquisición de datos que ha permitido registrar las variables necesarias para el cálculo y el análisis del rendimiento y de las condiciones de funcionamiento, tanto para la instalación en su conjunto, como para cada uno de sus componentes principales. Esta tesis se ha dividido en ocho capítulos. En el primer capítulo se ha desarrollado una breve descripción histórica del uso del CO2 en la industria de la refrigeración y las circunstancias actuales que han motivado su resurgir como fluido refrigerante. Adicionalmente, se ha incluido una revisión bibliográfica realizada en relación a las investigaciones que involucran el uso del CO2 como refrigerante en los últimos años. En el segundo capítulo se ha llevado a cabo un análisis teórico de un sistema de refrigeración en cascada con CO2 y NH3 con el objeto de evaluar los parámetros de funcionamiento del mismo y su influencia sobre el rendimiento del sistema. Con el estudio realizado se obtienen los datos de partida para el diseño del prototipo objeto de esta tesis. En el tercer capítulo se describe el diseño del prototipo construido, la selección y dimensionado de los componentes, el sistema de control y el sistema de adquisición de datos con el cual ha sido dotado. Se incluye adicionalmente, el desarrollo de un modelo simple en el que se consideran las características específicas de los componentes seleccionados. El cuarto capítulo corresponde a la evaluación del funcionamiento del prototipo. Se comparan los resultados obtenidos con el modelo simple y los resultados experimentales. La discusión de los resultados experimentales incluye la evaluación del funcionamiento de los componentes principales y la influencia de los parámetros de operación sobre el COP de la instalación. Adicionalmente, se comparan los resultados experimentales del funcionamiento del prototipo con dos sistemas de refrigeración de compresión de doble etapa directa, con amoníaco como refrigerante y en las mismas condiciones de operación. En el capítulo cinco se lleva a cabo la evaluación experimental del proceso de congelación utilizando el prototipo construido, analizando las variables involucradas en el proceso tales como, la temperatura de evaporación, la temperatura del producto a congelar y el tiempo de congelación. Los resultados incluyen un estudio comparativo entre los tiempos de congelación obtenidos con el prototipo y los tiempos de congelación de diferentes instalaciones reales. En el capítulo seis se muestra un estudio experimental correspondiente al proceso de desescarche del armario de congelación mediante un sistema de gases calientes con CO2, incluyendo la evaluación de la influencia de la relación de compresión del compresor de CO2 sobre las variables involucradas en el proceso. En el capítulo siete se presentan los resultados experimentales obtenidos de la evaluación del comportamiento de un eyector como elemento recirculador del líquido en evaporadores inundados. Por último, en el capítulo ocho se exponen las conclusiones generales derivadas del trabajo realizado y del análisis de los resultados obtenidos. Finalmente, se plantean los trabajos a desarrollar en el futuro, teniendo como base de partida el prototipo construido y los resultados experimentales de este trabajo.