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Ciclo de refrigeración con CO2 transcrítico (R744)

Este ejemplo modela un ciclo de refrigeración por compresión de vapor en el que la parte de alta presión del ciclo opera en la región de fluido supercrítico. El refrigerante es dióxido de carbono (CO2), denominado también R744 en esta aplicación.

El compresor impulsa el flujo de CO2 a través del ciclo y eleva la presión por encima de la presión crítica. El refrigerador de gas expulsa el calor del CO2 a alta presión al ambiente. Dado que el CO2 se encuentra en estado supercrítico, no se condensa y la temperatura disminuye. La válvula de expansión reduce la presión, provocando la vaporización de parte del CO2. La mezcla bifásica pasa por el evaporador, absorbiendo calor del compartimento hasta sobrecalentarse. El intercambiador de calor interno transfiere parte del calor entre la parte caliente y la fría del ciclo para mejorar su eficiencia.

Modelo

Compartment Subsystem

Compressor Subsystem

Controller Subsystem

Evaporator Subsystem

Expansion Valve Subsystem

Gas Cooler Subsystem

Internal Heat Exchanger Subsystem

Resultados de simulación a partir de scopes

Resultados de simulación a partir del registro de Simscape

Esta gráfica muestra el caudal másico, la entrada de potencia isentrópica del compresor y el caudal de calor del ciclo. El caudal de calor del enfriador de gas y del evaporador representan el rechazo y la absorción de calor del ciclo, mientras que el caudal de calor de IHX es una transferencia de calor dentro del ciclo mediante el intercambiador de calor interno.

Esta gráfica muestra la presión y la temperatura en diferentes puntos del ciclo. La presión del evaporador se mantiene en torno a 3,5 MPa y la presión del refrigerador de gas es nominalmente de unos 10 MPa, por encima de la presión crítica del CO2 (R744) de 7,4 MPa. Por lo tanto, se trata de un ciclo de refrigeración transcrítico. La presión del refrigerador de gas cambia en respuesta a los cambios de temperatura del entorno. A temperaturas ambiente más bajas, la presión del refrigerador de gas puede descender a presiones subcríticas.

Dado que en el evaporador se introduce una mezcla bifásica, la temperatura de entrada al evaporador T5 es también la temperatura de saturación. Por lo tanto, T6 - T5 representa el sobrecalentamiento del evaporador, que se controla mediante la válvula de expansión.

Esta gráfica muestra las curvas de presión y caudal del compresor a diferentes velocidades del eje. El eje giratorio no se modela; sino que el controlador ajusta directamente la velocidad del eje para producir el caudal necesario.

Animación de los resultados de registro de Simscape

Esta figura muestra la evolución de los estados del fluido en el ciclo de refrigeración transcrítico durante un espacio de tiempo. Los 6 puntos del ciclo son la entrada del compresor, la entrada del condensador, la entrada de la parte caliente del intercambiador de calor interno, la entrada de la válvula de expansión, la entrada del evaporador y la entrada de la parte fría del intercambiador de calor interno, que se miden mediante los sensores S1 a S6 del modelo. Las mediciones se representan en un diagrama presión-entalpía. Las líneas son isotermas de CO2 (R744).

Propiedades del fluido

Las dos figuras siguientes representan las propiedades del fluido del CO2 (R744) como una función de presión (p) y energía interna normalizada (unorm) y como una función de presión (p) y energía interna específica (u), respectivamente. El fluido es:

  • un líquido subrefrigerado cuando -1 <= unorm < 0;

  • una mezcla bifásica cuando 0 <= unorm <= 1;

  • vapor supercalentado cuando 1 < unorm <= 2.

Los datos sobre las propiedades del fluido se presentan como una cuadrícula rectangular en p y unorm. Por lo tanto, la cuadrícula en términos de p y u es no rectangular.

Los datos sobre las propiedades del fluido CO2 (R744) se pueden encontrar en CO2PropertyTables.mat.