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refrigeración en cascada

Diagrama esquemático de un proceso de refrigeración en cascada de dos ciclos Se trata de un proceso de auto-cascada con dos refrigerantes diferentes. El refrigerante de alta tem...

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Diagrama esquemático de un proceso de refrigeración en cascada de dos ciclos
Se trata de un proceso de auto-cascada con dos refrigerantes diferentes. El refrigerante de alta temperatura (rojo) se condensa en el condensador de aire, se separa y se evapora para enfriar el intercambiador de calor, que condensa el refrigerante de baja temperatura (azul). El color púrpura indica una mezcla de ambos refrigerantes.

Un ciclo de refrigeración en cascada es un ciclo termodinámico multietapa . A la derecha (abajo en dispositivos móviles) se muestra un ejemplo de un proceso de dos etapas. El ciclo en cascada se emplea a menudo en dispositivos como congeladores ULT . [ 1 ]

Mecanismo

En un sistema de refrigeración en cascada, se utilizan dos o más ciclos de compresión de vapor con refrigerantes diferentes. Las temperaturas de evaporación y condensación de cada ciclo disminuyen progresivamente, con cierta superposición, para cubrir la caída de temperatura total deseada. Los refrigerantes se seleccionan para que funcionen eficientemente en el rango de temperatura que cubren. El sistema de baja temperatura extrae el calor del espacio a enfriar mediante un evaporador y lo transfiere a un intercambiador de calor que se enfría por la evaporación del refrigerante del sistema de alta temperatura. Alternativamente, se puede utilizar un intercambiador de calor líquido-líquido o similar. El sistema de alta temperatura transfiere el calor a un condensador convencional que transporta toda la energía térmica del sistema y puede ser pasivo, con ventilador o refrigerado por agua.

Los ciclos en cascada pueden separarse sellándolos en circuitos separados o en lo que se denomina una "autocascada", donde los gases se comprimen como una mezcla pero se separan cuando un refrigerante se condensa en líquido mientras que el otro continúa como gas durante el resto del ciclo. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Aunque una autocascada introduce varias restricciones en el diseño y las condiciones de operación del sistema que pueden reducir la eficiencia, se usa a menudo en sistemas pequeños debido a que solo requiere un compresor o en sistemas criogénicos, ya que reduce la necesidad de intercambiadores de calor de alta eficiencia para evitar que los compresores pierdan calor en los ciclos criogénicos. Ambos tipos pueden usarse en el mismo sistema, generalmente con los ciclos separados como la(s) primera(s) etapa(s) y la autocascada como la última etapa.

Los enfriadores Peltier también pueden conectarse en cascada en un sistema multietapa para lograr temperaturas más bajas. En este caso, el lado caliente del primer enfriador Peltier se enfría mediante el lado frío del segundo enfriador Peltier, que es de mayor tamaño, cuyo lado caliente a su vez se enfría mediante el lado frío de un enfriador Peltier aún más grande, y así sucesivamente. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] La eficiencia disminuye muy rápidamente a medida que se agregan más etapas, pero para cargas de calor muy pequeñas hasta temperaturas cercanas a la criogénica, esta puede ser una solución eficaz debido a su compacidad y bajo costo, como en las cámaras termográficas de gama media . Un enfriador Peltier de dos etapas puede alcanzar alrededor de -30 °C, -75 °C con tres etapas, -85 °C con cuatro etapas, -100 °C con seis etapas y -123 °C con siete etapas. La potencia y la eficiencia de refrigeración son bajas, pero los enfriadores Peltier pueden ser pequeños, para cargas de refrigeración pequeñas, lo que resulta en un bajo consumo de energía general para un enfriador Peltier con tres etapas. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Para un enfriador Peltier de siete etapas, el consumo de energía puede ser de 65 W con una capacidad de enfriamiento de 80 mW. [ 12 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Berchowitz, David; Kwon, Yongrak (2012). "Perfiles ambientales de congeladores de ultrabaja temperatura refrigerados por Stirling y por cascada" . Sustainability . 4 (11): 2838– 2851. Bibcode : 2012Sust....4.2838B . doi : 10.3390/su4112838 .
  2. ↑ Du, Kai; Zhang, Shaoqian; Xu, Weirong; Niu, Xiaofeng (enero de 2009). "Un estudio sobre las características del ciclo de un sistema de refrigeración en cascada automática". Experimental Thermal and Fluid Science . 33 (2): 240– 245. Bibcode : 2009ETFS...33..240D . doi : 10.1016/j.expthermflusci.2008.08.006 .
  3. ↑ Venkatarathnam, Gadhiraju (2008). "Necesidad de mezclas de refrigerantes". Procesos criogénicos con mezclas de refrigerantes . Serie de monografías internacionales sobre criogenia. págs. 65–87 . doi : 10.1007/978-0-387-78514-1_3 . ISBN  978-0-387-78513-4.
  4. ↑ Gong, MQ; Luo, EC; Liang, JT; Zhou, Y.; Wu, JF (2002). "Análisis termodinámico de un criorefrigerador JT de autocascada con refrigerante mixto y cargas térmicas distribuidas". Cryocoolers 11. pp. 523–530 . doi : 10.1007/0-306-47112-4_66 . ISBN  978-0-306-46567-3.
  5. ↑ Kumar, Sachin; Chahal, Virender (2021). "Una revisión de varios tipos de ciclos de refrigeración en cascada y la aplicación del mecanismo eyector". Avances en materiales e ingeniería mecánica . Notas de clase en ingeniería mecánica. págs. 245–265 . doi : 10.1007/978-981-16-0673-1_20 . ISBN  978-981-16-0672-4.
  6. ↑ Huebener, Rudolf P. (2019). «Menos puede ser más: semiconductores». Conductores, semiconductores, superconductores . Apuntes de clase de física para estudiantes de pregrado. págs. 73–96 . doi : 10.1007/978-3-030-31420-0_6 . ISBN  978-3-030-31419-4.
  7. ↑ Rowe, DM, ed. (2018). CRC Handbook of Thermoelectrics . p. 625. doi : 10.1201/9781420049718 . ISBN  978-1-315-21969-1.
  8. ^ Eibl, Oliver; Nielsch, Kornelius; Peranio, Nicola; Völklein, Friedemann (21 de abril de 2015). Nanomateriales termoeléctricos Bi2Te3 . John Wiley e hijos. ISBN 9783527672639– vía Google Libros.
  9. ↑ Gaussorgues, G. (1994). "Detectores de radiación". Termografía infrarroja . págs. 261–318 . doi : 10.1007/978-94-011-0711-2_9 . ISBN  978-94-010-4306-9.
  10. ↑ Nyquist, R. (2001). "Experimental". Interpretación de espectros infrarrojos, Raman y de resonancia magnética nuclear . Vol. 1. págs. 25–30 . doi : 10.1016/B978-012523475-7/50166-2 . ISBN   978-0-12-523475-7.
  11. ↑ Rogalski, Antonio (15 de noviembre de 2010). Detectores infrarrojos . CRC Press. ISBN 9781420076721– vía Google Libros.
  12. ↑ Maldaque, Xavier PV (28 de abril de 2023). Metodología y tecnología infrarroja . CRC Press. ISBN 9781000950601– vía Google Libros.
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