Un sistema de refrigeraci\u00f3n en cascada es una arquitectura de enfriamiento de baja temperatura que vincula dos o m\u00e1s ciclos independientes de compresi\u00f3n de vapor a trav\u00e9s de un intercambiador de calor compartido. Cada ciclo utiliza un refrigerante diferente elegido en funci\u00f3n de su rango de funcionamiento, lo que permite que el sistema combinado alcance temperaturas de \u201340\u00b0C a \u201380\u00b0C en dise\u00f1os industriales est\u00e1ndar \u2014y hasta \u2013160\u00b0C en configuraciones especializadas de m\u00faltiples etapas utilizadas para la licuefacci\u00f3n de gas.<\/strong> La variante de dos etapas que alimenta la mayor\u00eda de las plantas de congelaci\u00f3n y almacenamiento a temperatura baja suele operar en la gama de temperaturas de \u201340 \u00b0C a \u201380 \u00b0C.<\/p>\n\n\n\n El nombre \u201ccascada\u201d refleja la forma en que el calor se transmite de una tuber\u00eda a otra, como el agua que cae entre dos dep\u00f3sitos. Cada tuber\u00eda realiza solo la funci\u00f3n que es capaz de realizar, y la arquitectura evita los l\u00edmites f\u00edsicos que limitan a cualquier refrigerante en particular.<\/p>\n\n\n\n \u00bfPor qu\u00e9 un sistema de una etapa no puede alcanzar temperaturas ultra bajas?<\/strong><\/p>\n\n\n\n Un \u00fanico refrigerante pierde eficiencia por debajo de los -40 \u00b0C porque su relaci\u00f3n de presi\u00f3n se vuelve demasiado alta, su temperatura de descarga da\u00f1a el compresor y su presi\u00f3n de succi\u00f3n cae al vac\u00edo. Combinar dos refrigerantes \u2014cada uno optimizado para su propio rango de temperatura\u2014 elimina estos tres problemas de fallo de una vez.<\/p>\n\n\n\n Cuanto m\u00e1s baja sea la temperatura objetivo, m\u00e1s severos ser\u00e1n estos efectos. Por debajo de aproximadamente \u201350\u00b0C, incluso una m\u00e1quina de compresi\u00f3n de dos etapas que utilice un \u00fanico refrigerante tendr\u00e1 dificultades para ofrecer un coeficiente de rendimiento (COP) aceptable. Cambiar los refrigerantes entre las etapas es la \u00fanica forma pr\u00e1ctica de avanzar.<\/p>\n\n\n\n Antes de analizar el ciclo, es \u00fatil conocer d\u00f3nde se sit\u00faa la arquitectura de cascada entre las alternativas. Los sistemas de una sola etapa alcanzan temperaturas cercanas a -40\u00b0C. La compresi\u00f3n en dos etapas con un \u00fanico refrigerante se extiende hasta aproximadamente -50\u00b0C. Las arquitecturas de cascada alcanzan -80\u00b0C y m\u00e1s all\u00e1 al cambiar de refrigerante entre las etapas, lo que permite ahorrar en capital y obtener una capacidad de temperatura ultra baja y una COP significativamente mejor en temperaturas m\u00e1s profundas.<\/p>\n\n\n\n La tabla siguiente muestra cu\u00e1ndo cada arquitectura es la herramienta adecuada:<\/p>\n\n\n\n Una vez que la temperatura objetivo baja por debajo de \u201350\u00b0C, la cascada deja de ser una de las tres opciones \u2014 se convierte en la \u00fanica que funciona. El resto de esta gu\u00eda explica qu\u00e9 est\u00e1 sucediendo dentro de esa arquitectura.<\/p>\n\n\n\n \u00bfC\u00f3mo funciona realmente un ciclo de refrigeraci\u00f3n en cascada?<\/strong><\/p>\n\n\n\n Dos bucles sellados se ejecutan en paralelo. El bucle de alta temperatura (HT) rechaza el calor hacia el aire ambiente o el agua. El bucle de baja temperatura (LT) absorbe el calor del espacio enfriado. Un intercambiador de calor en cascada los vincula t\u00e9rmicamente \u2014actuando como evaporador para el bucle superior y como condensador para el bucle inferior simult\u00e1neamente\u2014.<\/p>\n\n\n\n El circuito de HT utiliza un refrigerante convencional como R-404A, R-134a o amoniaco. Su compresor extrae vapor del intercambiador de calor en cascada, aumenta la presi\u00f3n y lo impulsa al condensador ambiente, donde el calor se descarga al aire exterior o al agua de refrigeraci\u00f3n. Luego, el l\u00edquido se expande de nuevo en el intercambiador de calor en cascada y se evapora, capturando calor de la l\u00ednea de refrigeraci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n El circuito de refrigeraci\u00f3n de tipo LT utiliza un refrigerante adecuado para un funcionamiento en temperaturas muy bajas \u2014el R-23, el R-508B o el CO\u2082 son opciones comunes\u2014. Su evaporador se encuentra dentro del espacio refrigerado, absorbiendo calor de los productos o el aire. El vapor se comprime y condensa en el intercambiador de calor en cascada, donde el refrigerante HT transporta el calor hacia afuera.<\/p>\n\n\n\n Es el puente t\u00e9rmico el que hace posible toda la arquitectura. El lado HT se evapora en \u00e9l; el lado LT se condensa en \u00e9l. Los dise\u00f1adores suelen permitir una temperatura de aproximaci\u00f3n entre los dos bucles de entre 5\u00b0C y 10\u00b0C \u2014 lo suficientemente baja como para mantener la eficiencia, pero lo suficientemente alta como para mantener el intercambiador de calor compacto.<\/p>\n\n\n\n En un diagrama de presi\u00f3n-entalpia (P-h), el ciclo de cascada aparece como dos bucles apilados con una banda horizontal com\u00fan, donde la presi\u00f3n de evaporaci\u00f3n HT se superpone a la presi\u00f3n de condensaci\u00f3n LT. En un diagrama de temperatura-entalpia (T-s), la misma superposici\u00f3n se muestra como un contacto t\u00e9rmico entre los dos ciclos a la temperatura de la cascada.<\/p>\n\n\n\n \u00bfQu\u00e9 componentes componen el sistema?<\/strong><\/p>\n\n\n\n La arquitectura requiere dos compresores, dos v\u00e1lvulas de expansi\u00f3n, dos evaporadores, un condensador ambiente y un intercambiador de calor en cascada que une los circuitos. Entre los componentes auxiliares se incluyen separadores de aceite, un recipiente de expansi\u00f3n del lado LT para protecci\u00f3n contra la presi\u00f3n de parada y una l\u00f3gica de control espec\u00edfica que controla los dos circuitos.<\/p>\n\n\n\n La tabla siguiente resume la funci\u00f3n de cada componente principal:<\/p>\n\n\n\n Los intercambiadores de calor de placa ofrecen un alto coeficiente de transferencia de calor y un espacio de instalaci\u00f3n compacto, lo que los convierte en la opci\u00f3n por defecto para capacidades de hasta unos pocos cientos de kilovatios. Las unidades de carcasa y tubo pueden realizar tareas industriales m\u00e1s complejas y toleran mejor la acumulaci\u00f3n de suciedad. Los tipos de placa requieren un distribuidor de refrigerante en la entrada de la HT para garantizar un flujo uniforme a trav\u00e9s de los canales.<\/p>\n\n\n\n Cuando el sistema se apaga, el refrigerante LT se calienta hasta alcanzar la temperatura ambiente. Debido a que est\u00e1 dise\u00f1ado para un funcionamiento a temperaturas muy bajas, su presi\u00f3n de saturaci\u00f3n aumenta bruscamente. El recipiente de expansi\u00f3n absorbe esta subida de presi\u00f3n y protege los conductos y los componentes contra la ruptura. Los intercambiadores de calor de clase industrial y los componentes de refrigeraci\u00f3n utilizados en sistemas en cascada est\u00e1n dimensionados espec\u00edficamente para esta tarea.<\/p>\n\n\n\n \u00bfQu\u00e9 pares de refrigerante se utilizan y por qu\u00e9?<\/strong><\/p>\n\n\n\n Los combinados m\u00e1s comunes son R-404A\/R-23, NH\u2083\/CO\u2082, y R-134a\/R-508B. En el lado de alta temperatura se utiliza un refrigerante est\u00e1ndar; en el lado de baja temperatura se utiliza uno que permanece l\u00edquido y eficiente por debajo de -50\u00b0C. La selecci\u00f3n ahora favorece los fluidos de bajo GWP seg\u00fan las normas de la UE sobre gases fluorados (F-gas) y regulaciones similares en todo el mundo.<\/p>\n\n\n\n Los pares m\u00e1s ampliamente utilizados y sus caracter\u00edsticas:<\/p>\n\n\n\n\u00bfC\u00f3mo se compara con la compresi\u00f3n de una etapa y de dos etapas?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Arquitectura<\/strong><\/td> Limite Pr\u00e1ctico<\/strong><\/td> CapEx relativo<\/strong><\/td> Ideal para<\/strong><\/td><\/tr> De una sola etapa<\/td> ~ -40\u00b0C<\/td> Bajo<\/td> Estufas frigor\u00edficas est\u00e1ndar<\/td><\/tr> Compresi\u00f3n en dos etapas<\/td> ~ -50\u00b0C<\/td> Medio<\/td> Congeladores de gran tama\u00f1o, ULT de gama media<\/td><\/tr> Cascade<\/td> \u201340\u00b0C a \u2013160\u00b0C<\/td> Alto<\/td> L\u00edneas IQF, almacenamiento de vacunas, licuefacci\u00f3n de gas<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n \u00bfQu\u00e9 sucede en el circuito de alta temperatura?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 sucede en el circuito a baja temperatura?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 funci\u00f3n cumple el intercambiador de calor en cascada?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\u00bfC\u00f3mo se pueden interpretar los diagramas P-h y T-s de este ciclo?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Componente<\/strong><\/td> Situado en<\/strong><\/td> Funci\u00f3n<\/strong><\/td><\/tr> Compresor de HT<\/td> Ciclo de alta temperatura<\/td> Los ascensores aumentan la presi\u00f3n de vapor para la eliminaci\u00f3n del calor ambiente<\/td><\/tr> Condensador ambiental<\/td> Ciclo de alta temperatura<\/td> Libera calor al aire o al agua<\/td><\/tr> Intercambiador de calor de cascada<\/td> Ambos bucles<\/td> Evaporador HT + condensador LT<\/td><\/tr> Compresor LT<\/td> Ciclo de baja temperatura<\/td> Compresores de refrigerante de lado fr\u00edo<\/td><\/tr> Evaporador LT<\/td> Ciclo de baja temperatura<\/td> Absorbe el calor del espacio enfriado<\/td><\/tr> V\u00e1lvulas de expansi\u00f3n (\u00d72)<\/td> Cada bucle<\/td> Disminuye la presi\u00f3n antes de la evaporaci\u00f3n<\/td><\/tr> Buque de expansi\u00f3n<\/td> Ciclo de baja temperatura<\/td> Absorbe la presi\u00f3n que aumenta durante el apagado<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n Placas o tubos de circulaci\u00f3n de calor: \u00bfcu\u00e1l es la mejor opci\u00f3n?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\u00bfPor qu\u00e9 la parte de baja temperatura necesita un recipiente de expansi\u00f3n?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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<\/figure>\n\n\n\nHT Refrigerante<\/strong><\/td> LT Refrigerante<\/strong><\/td> Rango de temperatura t\u00edpico<\/strong><\/td> Notas<\/strong><\/td><\/tr> R-404A<\/td> R-23<\/td> \u201340\u00b0C a \u201380\u00b0C<\/td> Est\u00e1ndar legado; alto GWP<\/td><\/tr> Amoniaco (NH\u2083)<\/td> CO\u2082 (R-744)<\/td> \u201340\u00b0C a \u201355\u00b0C<\/td> Producto preferido por la industria; GWP muy bajo<\/td><\/tr> R-134a<\/td> R-508B<\/td> \u201350\u00b0C a \u201380\u00b0C<\/td> Congeladores ULT, para uso en laboratorios<\/td><\/tr> R-452A<\/td> R-23 o CO\u2082<\/td> \u201340\u00b0C a \u201375\u00b0C<\/td> Reemplazo compatible con los gases fluorados de la UE<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n \u00bfPor qu\u00e9 el NH\u2083\/CO\u2082 se est\u00e1 convirtiendo en el est\u00e1ndar industrial?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n