Evaluación termodinámica de un sistema de refrigeración de dos etapas a partir de análisis paramétrico y comparación de refrigerantes

Abstract

La tesis tiene por objetivo realizar un análisis termodinámico a un sistema de refrigeración industrial evaluando múltiples parámetros, como rendimiento (COP), trabajo de compresor, eficiencia de segunda ley, exergía destruida, flujos másicos en puntos clave del sistema, entre otros. Teniendo como referencia los procesos industriales de refrigeración de productos alimenticios de alta producción en la región, se ha realizado el estudio energético y exergético bajo condiciones ideales y reales de un sistema de refrigeración de doble etapa. Con tal fin, se contextualiza la situación actual de la región respecto a la producción de congelados y la importancia del estudio de los sistemas de refrigeración. Seguidamente se plantean los principios de funcionamiento de estos sistemas, desde el sistema simple hasta sus variantes, entre las que se incluye el sistema de doble etapa. Después, se explican las ecuaciones termodinámicas a emplear durante el desarrollo del trabajo, tales como conservación de la energía, conservación de la masa, etc. y se presenta el software Engineering Ecuation Solver, con el cual se realizaron los cálculos necesarios para la evaluación termodinámica. Finalmente, dado que el caso de estudio presentado cuenta con información necesaria para realizar el análisis propuesto y apoyándose del software antes mencionado, la presente investigación obtuvo el valor de variables de interés como trabajo de entrada de los compresores, eficiencia de segunda ley de termodinámica, coeficiente de desempeño, entre otras. A su vez, se evaluó múltiples condiciones de trabajo y se determinaron los valores más óptimos para el sistema planteado. Entre las condiciones de trabajo evaluadas, se varió la presión intermedia del sistema, eficiencia isentrópica de los compresores y la temperatura del sumidero de calor; además de variar el fluido de trabajo. Finalmente, se logró demostrar en qué proporción cambian las variables de interés, además de determinar qué refrigerante trabajaría mejor bajo las condiciones del caso de estudio. Al realizar el análisis de distintos refrigerantes, se concluye que el R-410A hace que el sistema de doble etapa tenga un mejor COPR en 37% con respecto al R-134A. Esto debido a la necesidad de un menor trabajo de entrada que realizan los compresores para elevar la entalpía y la presión y así alcanzar las condiciones de intercambio de calor. Finalmente, para el caso de estudio presentado, el mejor refrigerante se trata del R-410A, siendo la mejor opción de entre los casos estudiados tanto a nivel energético como económico.