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Sistema en cascada

¿Qué es un sistema en cascada?

Un sistema en cascada es un tipo de sistema de refrigeración en el que hay dos sistemas que son independientes, y donde uno de los sistemas – el de temperatura más baja – emplea a modo de condensador un intercambiador, que es precisamente el que se encarga de expulsar el calor que se acumula en el mismo. A continuación, se ofrece una explicación más detallada sobre cómo funcionan estos sistemas y sobre cómo se emplean los refrigerantes para las aplicaciones de ultra baja o baja temperatura.

Sistema de refrigeración en cascada

Un sistema de refrigeración en cascada es un sistema para ultra bajas temperaturas que pueden llegar hasta los – 70 °C, y que cuentan con dos circuitos dedicados a la refrigeración. El primero de estos circuitos es designado como el circuito primario, que es el de alta temperatura; el segundo circuito recibe el nombre de circuito secundario o de baja temperatura. Tal y como se ha mencionado, ambos circuitos son independientes uno del otro.

Dentro de este sistema de dos circuitos, el primario es el que se encarga del enfriamiento del secundario, exactamente igual que sucede con los refrigerantes. Así pues, en un circuito donde se requiere gran fiabilidad en términos de temperatura, son de especial utilidad.

Puede decirse que hay dos variantes dentro del ciclo básico de refrigeración mediante compresión de vapor. El primero se llama ciclo en cascada, y es el que da la posibilidad de emplear un ciclo de compresión de vapor si la diferencia de temperatura entre el condensador y el evaporador es demasiado elevada. En este punto se emplea un sistema frigorífico que absorbe el calor del condensador durante el proceso de evaporación, y también el de la compresión del vapor refrigerante cuando pasa por el compresor.

De esta manera, el primer ciclo disminuye la temperatura de condensación, y más adelante se generará una caída de presión. Este es un método más eficiente que el de la extracción de calor mediante procesos de convección. La razón es que, en un entorno de absorción de calor, un dispositivo de condensación tiene menor temperatura que el aire que está circulando por él.

Así, el calor que está en el condensador se absorbe mediante el evaporador del segundo sistema de refrigeración. Hay que decir que en general los refrigerantes varían en función del tipo de circuito, y dicha variación tiene como fin precisamente ajustar los parámetros de temperatura y presión.

Así funciona un sistema de refrigeración en cascada

En un sistema de refrigeración en cascada pueden distinguirse dos etapas fundamentales. En la primera etapa (la etapa alta), el circuito se encarga de la función de refrigeración. De esa manera, el refrigerante se descarga por medio del compresor a una presión y temperatura altas, y entra en el condensador. Este condensador es el encargado de ceder la energía que ha absorbido el refrigerante del ambiente, que saldrá de nuevo en forma de líquido.

El siguiente paso debe incluir el subenfriamiento del refrigerante. La finalidad de esta operación es la de ganar capacidad, asegurando, a su vez, que el líquido solo viaje en un sentido. Cuando el refrigerante entre en contacto con el evaporador de placas, se enfriará el refrigerante del circuito de baja temperatura. De esa manera, se completa el ciclo evaporador – condensador, y el refrigerante de alta temperatura absorbe el calor proveniente del refrigerante de baja presión.

Después de ello puede distinguirse una segunda etapa. Esta segunda etapa suele llamarse también como etapa baja, y es cuando el refrigerante es expulsado del compresor a alta presión y temperatura. En ese caso, el condensador hace de intercambiador de placa, y el sistema comienza trabajar con altas presiones; de esa manera, es enfriado o bien pasa de vapor a líquido mediante el evaporador de la etapa alta. Cuando el refrigerante se subenfría, entra en el evaporador, donde va a introducirse a temperaturas ultra bajas.

Beneficios de un sistema en cascada

Un sistema en cascada ofrece ventajas específicas frente a otros métodos de refrigeración. Cuando se emplea un sistema de cascada, disminuye la relación de cada sistema en referencia a su compresión. De esa manera, se aumenta en cada una de las fases la eficiencia volumétrica y, por el mismo efecto, se consigue que todo el sistema en conjunto sea mucho más eficiente. A su vez, hay que destacar que con un sistema de refrigeración en cascada se requiere también un menor desplazamiento de los compresores.

Por otro lado, hay que decir que la temperatura de descarga en el sistema de cascada es más baja que en un sistema compuesto de una sola etapa; este efecto resulta ventajoso para la lubricación y la temperatura a la que se encuentra el aceite. Por último, cabe destacar que en un sistema de refrigeración en cascada se emplean también refrigerantes de alta presión. Este tipo de refrigerantes hacen que la presión de succión alcance valores positivos. Por ello, con este tipo de sistemas no se requiere trabajar en vacío, incluso en los casos en los que la temperatura saturada de succión es bastante baja.

Precauciones de funcionamiento en un sistema en cascada

A la hora de emplear un sistema en cascada deben tenerse en cuenta una serie de precauciones. La primera de ellas es tener en cuenta que se trata de un sistema que posee ciertos límites de aplicación, y que, por lo tanto, es importante supervisar cuál es el estado de lubricación en el que se encuentra. También hay que comprobar que al sistema no llegue líquido por succión.

En el caso de los sistemas de baja, debe comprobarse que la temperatura de retorno del gas no sea inferior a los -60 °C. Este punto es importante, con el fin de no dañar el compresor fabricado en hierro fundido. Es recomendable supervisar también la temperatura a la que está el aceite, para que disponga de un nivel de viscosidad correcto; esto le permitirá cumplir su función de forma adecuada e impedir que retorne aceite. También en relación con el aceite, se debe contar con un separador de aceite de alta eficiencia y buenas dimensiones. Hay que tener en cuenta que, si no regresa, es muy probable que sea necesario hacer ciclos de deshielo para aumentar la presión de succión y el flujo másico. Esta es la forma de disminuir la viscosidad del aceite, aumentando su temperatura y haciendo que retorne al compresor.

En el caso de la temperatura de retorno para el gas en dirección al compresor, se requiere que sea alta. En algunos casos, para refrigerar el aceite puede probarse con otros gases compresores, entre los que se encuentra el butano. Ahora bien, esta operación siempre debe hacerse aplicando solo unos pocos gramos de gas refrigerante.

Como último punto relacionado con las precauciones que deben tomarse en los sistemas de refrigeración en cascada hemos de mencionar el de las tuberías y su aislamiento. Debido al funcionamiento a temperaturas muy bajas, es esencial que el aislamiento de dichos componentes y de todas las partes expuestas asegure una temperatura más baja que la de rocío. Esto es especialmente relevante en las partes en las que la temperatura sea inferior a los 0 °C. Con ello, se evitará la condensación y la congelación de la humedad que está presente en el aire.

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