Sistema en Cascada y sus Aplicaciones

Distintos sectores encuentran en los sistemas en cascada la mejor solución para lograr eficiencia y rendimiento en sistemas de baja temperatura.

Ing. Luis Gerardo Martínez Prado,

Los sistemas en cascada han sido utilizados para aplicaciones donde la relación de compresión de los refrigerantes es muy alta y/o donde se requieren temperaturas de evaporación realmente bajas ­(<-50C). Últimamente este tipo de sistema se ha vuelto más popular al ser necesario en aplicaciones de baja temperatura utilizando R744 (CO₂) como refrigerante en sistemas conocidos como subcríticos.

¿Qué es un sistema en cascada?
Un sistema en cascada consta de dos sistemas independientes de una etapa, donde el sistema con temperatura de evaporación más baja utiliza un intercambiador como condensador para rechazar el calor  del mismo, utilizando el evaporador del sistema con temperatura de evaporación más alta. Normalmente se usan refrigerantes diferentes y su aplicación es mayormente para aplicaciones de baja o ultra baja temperatura. (ver diagrama 1 y 3).

Diagrama 1  dos sistemas de un etapa = Sistema en cascada

Beneficios
Al utilizar un sistema en cascada se disminuye la relación de compresión de cada sistema, lo que hace que la eficiencia volumétrica aumente en cada una de las etapas y, por lo tanto, el sistema en su totalidad sea más eficiente por lo que también se necesita menos desplazamiento de los compresores. Así mismo, la temperatura de descarga (ver gráfica 1) disminuye en comparación a un sistema de una sola etapa, lo cual beneficia la temperatura del aceite y a la buena lubricación del compresor.

Relación de compresión PR, donde P2 es la presion de descarga en psia y P1 es la presión de succión en psia.

Relación de compresión, es el resultado de la división de la presión de descarga y la presión de succión en psia.

Psia = Psig+14.7psi

Psig es la presión manométrica.

Psia es la presión absoluta incluyendo la presión atmosférica.

Por otro lado, normalmente se utilizan refrigerantes llamados de alta presión cuyas características permiten que la presión de succión sea positiva y no sea necesario trabajar en vacío, aun cuando la temperatura saturada de succión (TSS) sea muy baja. Los refrigerantes R23 y R508B son los más populares para este tipo de aplicaciones.

En la tabla PT se pude observar la temperatura saturada a diferentes presiones comparada con R22 o R404A. A -6.6C (20F) de temperatura se puede ver la diferencia en presiones.

Precauciones de operación y diseño

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estén dentro de los límites de aplicación, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue líquido por la succión. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es básicamente un sistema de MT  de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parámetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60ºC por precaución de no dañar el compresor, ya que este está hecho de fierro fundido.

También se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la línea de succión y de líquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de “deshielo” para subir la presión de succión, aumentar el flujo másico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y así retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este último método se tiene que probar agregando sólo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamaño del sistema.

Por otra parte, al trabajar con temperaturas tan bajas, se requiere un aislamiento tanto de tuberías como de todas las partes que estén expuestas y que tengan una temperatura más baja que la de rocío y siendo este aislamiento suficiente en las partes donde la temperatura este debajo de 0ºC. Esto es para evitar condensación y/o congelamiento de la humedad en el ambiente.

Por las altas presiones que tienen estos refrigerantes (R508B, R23, R744) se requieren válvulas de alivio y/o un tanque de reexpansión como medida de seguridad para evitar que la alta presión dañe la tubería o algún componente del sistema cuando se requiera mantenimiento o paros prolongados. En algunos casos se utiliza una unidad independiente para enfriar el recibidor y evitar que la presión aumente.

El diagrama anterior muestra un sistema en cascada donde se utiliza un intercambiador entre líquido y succión para aumentar la temperatura de retorno del gas al compresor tanto en la etapa de baja (R23) como en la etapa de alta (R404A). También se pude apreciar el tanque de reexpansión. En el diagrama, el condensador del sistema con R404A puede ser enfriado por algún otro fluido o aire.

Aplicaciones

Hay varias industrias que se benefician de este tipo de sistemas. La industria farmacéutica utiliza un proceso llamado liofilización donde utiliza temperaturas muy bajas en conjunto con bombas de vacío para congelar y luego sublimar H₂O y así deshidratar el producto.

La industria aeronáutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizándola en cámaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90ºC para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biológicos.

En procesos industriales se utiliza para la licuefacción de gases para separarlos y poder almacenarlos.

En supermercados, grandes bodegas y centros de distribución, últimamente se pueden encontrar estos sistemas de refrigeración de última generación utilizando R744 (CO₂) como refrigerante en los sistemas de baja temperatura. Los supermercados más importantes en varios países como Alemania, Australia, Brasil, Estados Unidos, Canadá, Austria, Inglaterra, ente otros, han empezado a buscar alternativas para disminuir sus emisiones de CO₂. Hay dos formas de disminuir estas emisiones, la primera es buscando sistemas más eficientes donde las emisiones producidas por la energía eléctrica utilizada por el sistema de refrigeración y AC disminuyen; la segunda, es buscando refrigerantes alternativos o naturales que tengan un GWP (Potencial de Calentamiento Global) menor.

Un primer paso se ha dado en utilizar R744 (CO₂) con un GWP de 1.0 en sistemas de refrigeración de baja temperatura aplicándolos en cascada. Donde la parte de alta además de condensar y rechazar el calor de la etapa de baja también es el sistema de media temperatura, ya sea con R134a, R404A o R717 (NH₃). (Ver diagrama 3).

En lo que respecta a la eficiencia, esta es mejor en un 3-5% dependiendo del diseño y control del sistema. Por lo que estos sistemas se vuelven viables y competitivos por la parte ecológica y por el lado de la eficiencia.

Los sistemas en cascada son una solución para cuando se requiere trabajar con refrigerantes con alta presión como el CO₂ y cuando se requiere llegar a temperaturas muy bajas. Estos sistemas son más eficientes que un sistema de una sola etapa cuando la relación de compresión es muy alta.

Por otro lado, normalmente se utilizan refrigerantes llamados de alta presión cuyas características permiten que la presión de succión sea positiva y no sea necesario trabajar en vacío, aun cuando la temperatura saturada de succión (TSS) sea muy baja. Los refrigerantes R23 y R508B son los más populares para este tipo de aplicaciones.

En la tabla PT se pude observar la temperatura saturada a diferentes presiones comparada con R22 o R404A. A -6.6C (20F) de temperatura se puede ver la diferencia en presiones.

Precauciones de operación y diseño

Para utilizar un sistema en cascada se necesita observar que los compresores estén dentro de los límites de aplicación, que se encuentren bien lubricados y cuidar que no llegue líquido por la succión. En el sistema de alta esto no representa un problema ya que es básicamente un sistema de MT  de los ya conocidos.

Para el sistema de baja, hay otros parámetros que se tienen que cuidar. Por ejemplo la temperatura de retorno de gas no debe de ser menor a -60ºC por precaución de no dañar el compresor, ya que este está hecho de fierro fundido.

También se debe de cuidar la temperatura del aceite para asegurar que tenga la viscosidad adecuada tanto para que retorne el aceite como para que lubrique adecuadamente el compresor. Normalmente se requiere una temperatura de retorno de gas al compresor o un sobrecalentamiento alto (>20K). Para esto se utiliza un intercambiador entre la línea de succión y de líquido.

En el caso del aceite, se tiene que evitar que este se vaya al sistema teniendo un separador de aceite generosamente dimensionado y de alta eficiencia.

De no regresar el aceite, tal vez sea necesario ciclos de “deshielo” para subir la presión de succión, aumentar el flujo másico y disminuir la viscosidad del aceite al aumentar la temperatura del mismo y así retornar este al compresor. Se puede utilizar otro refrigerante que ayude a disminuir la viscosidad del aceite como el R600 (butano) o R601 (pentano). Normalmente este último método se tiene que probar agregando sólo gramos de estos refrigerantes hasta obtener el resultado necesario. La cantidad de R600 o R601 depende del tamaño del sistema.