sistema de cascada

1. Sistema en cascada
INTRODUCCIÓN
Un sistema de refrigeración se utiliza para mantener una región del espacio a
una temperatura inferior a la del ambiente. El fluido de trabajo utilizado en mi
sistema se da en cambio de fase la cual es refrigeración por compresión de
vapor. La refrigeración suele asociarse a la conservación de los alimentos y al
acondicionamiento de aire de edificios.
El presente trabajo de investigación se tratará de un sistema frigorífico, que
consta de dos o más partes ciclos estándar en las cuales actúan con
refrigerantes iguales o diferentes dependiendo de cada ciclo de refrigeración,
con respecto a las caídas de presión y temperatura no son muy exagerados
sino poca diferencia caídas. Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de
refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede
sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores
características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina
sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. El proceso de
compresión en este sistema es similar a una compresión de dos etapas,
entonces el trabajo del compresor disminuye.
Podría darse el caso de que actué con el mismo refrigerante eso va a depender
del ciclo a diseñarse, pero también puede darse el caso que trabajemos con
diferente refrigerante para esta presentación trabajaremos con diferente
diagrama y tablas brindada por el profesor.
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2. Sistema en cascada
OBJETIVOS
 Definir bien los conceptos previos del sistema de refrigeración en
cascada para la resolución de problemas.
 Alcanzar los conocimientos suficientes para la aplicación y la solución de
problemas que se requiere en el lugar a instalarse.
 Conocer las características físicas y químicas del refrigerante principal
o secundario a emplearse para trabajar en dichos ciclos
 Detallar el funcionamiento del sistema de cascada con fines de practicar
y ejecutar en la industria pesquera
 Aplicar la teoría y la práctica necesaria para brindar facilidades a las
plantas que tiene este tipo de instalación, ya sea que pueda ser más
económico al uso del frio y tener mayores ganancias para la empresa.
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3. Sistema en cascada
SISTEMA DE CASCADA
Antes de pasar a las definiciones y aplicaciones de este sistema vamos hacer
unos conceptos previos en cuanto al ciclo estándar simple que esta denotado
por un condensador, válvula de reducción, evaporador y un compresor a
continuación detallaremos los siguientes términos.
1. Maquinas frigoríficas
Son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de
refrigeración se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración que se utiliza
con más frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
Estos dispositivos están provistos de cuatro componente principales: un
compresor, un condensador, una válvula de expansión y un refrigerador que
conforman el ciclo termodinámico por los cuales circula el fluido de trabajo
(refrigerante).
Los elementos principales de las maquinas frigoríficas:
a. Compresor: El refrigerante entra como vapor saturado y se comprime
a la presión del condensador. Incrementa la presión del fluido para que
pueda condensarse a la presión del condensador y circular por el
sistema
b. Condensador: El refrigerante sale del compresor a una temperatura
relativamente alta se enfrían y condensa conforme fluye por el
serpentín liberando calor hacia el medio exterior.
c. Válvula: El refrigerante sale del condensador y entra a la válvula donde
su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido a la
estrangulación.
Su misión es reducir la presión y además, regular el
sobrecalentamiento del gas en la línea de succión, para evitar que
llegue líquido no evaporado al compresor. La más común es la válvula
de expansión termostática, que consta de un diafragma en la que actúa
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4. Sistema en cascada
por un lado a la presión de un resorte y la salida del evaporador
mediante un tubo de vinculación y por el otro la presión de un bulbo
termostático fijado a la línea de succión, a la salida del evaporador. De
esa manera, si sube la carga calorífica en el evaporador, aumenta la
temperatura del gas, sobrecalentándose por sobre el punto prefijado a
la salida del mismo y ello se refleja en el bulbo que aumenta la presión
de un lado del diafragma, por lo que se abre la válvula, permitiendo así,
el paso de mayor cantidad de refrigerante líquido.
d. Evaporador: El refrigerante entra al evaporador donde absorbe calor
del espacio refrigerado evaporándose y luego repetir el proceso.
Una vez que el líquido ha pasado por el dispositivo de expansión, el
evaporador constituye el serpentín que en la zona a baja presión,
produce la reducción de temperatura y quita la humedad del aire que
mediante un ventilador circula exteriormente a través de él.
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5. Sistema en cascada
2. Concepto al sistema de cascada.
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.
Distintos sectores encuentran en los sistemas en cascada la mejor solución
para lograr eficiencia y rendimiento en sistemas de baja temperatura.
¿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 una etapa = sistema de cascada
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6. Sistema en cascada
En ciertas aplicaciones son necesarias temperaturas de trabajo
extremadamente bajas, por debajo de - 30° C por lo que la relación de
presiones para una sola etapa de compresión tiene que ser muy elevada; si se
elige un fluido frigorífero cuyos valores de la presión en el evaporador sean
moderados, resulta que las presiones en el condensador son muy elevadas y
viceversa.
A bajas temperaturas, las presiones correspondientes son muy bajas,
(inferiores a la presión atmosférica), por lo que en las zonas de producción de
frío existe una fuerte tendencia a la entrada de aire húmedo a los
evaporadores, lo que implica un porcentaje de humedad que puede solidificar
dando lugar a trastornos en el funcionamiento. Además, cuanto menor sea la
temperatura, el volumen específico del vapor a la entrada del compresor será
mayor, por lo que para una misma masa de fluido frigorífero a desplazar, a
menor temperatura requerida mayor deberá ser el volumen disponible del
compresor.
Si el fluido tiene unas características adecuadas para el evaporador y resulta
que las condiciones del condensador están cerca del punto crítico, cuando el
fluido se expansione, el título al final de la expansión será muy grande, lo que
disminuye el COF de la instalación, al tiempo que exige potencias en el
compresor relativamente altas, de forma que hay que recurrir a compresiones
escalonadas para paliar el problema. Por eso, para la producción de frío a
bajas temperaturas, se han desarrollado sistemas de compresión indirecta, en
los que se utilizan fluidos frigoríferos especiales, que solventan las dificultades
citadas y que por otro lado no son adecuados para trabajar en la zona de
condensación normal, ya que por un lado dan lugar a altas presiones, con el
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7. Sistema en cascada
consiguiente problema de posibles fugas al exterior y por otro presentan el
inconveniente de poseer bajas temperaturas críticas.
Los condicionantes anteriores se resuelven con la refrigeración en cascada,
mediante una adecuada elección de las presiones intermedias que evite los
problemas de estanqueidad y origine al mismo tiempo relaciones de
compresión razonables. La producción de frío a bajas temperaturas se
consigue mediante sistemas de compresión simples, que utilizan fluidos
frigoríferos especiales; para el caso de dos etapas de compresión, los vapores
resultantes se comprimen hasta una cierta presión mediante un compresor de
(BP) y posteriormente se condensan en un intercambiador intermedio,
mediante la cesión de calor al evaporador de un segundo circuito de
compresión simple por el que circula un fluido frigorífero distinto; la
condensación del fluido frigorífero de baja temperatura tiene por objeto la
vaporización del de alta, tal, que pueden ser condensados con ayuda de un
agente exterior; las válvulas V1 y V2 completan ambos ciclos.
Los principales inconvenientes que se presentan en estas instalaciones son:
 Si la instalación se mantiene parada durante un largo período, el igualar
la temperatura del circuito de baja a la temperatura ambiente, da lugar a
fuertes presiones en dicho circuito, por lo que se hace necesario
disponer de un sistema de alivio, consistente en un recipiente de
volumen apropiado, (bulbo), con vistas a impedir pérdidas de fluido
frigorífero.
 La transformación de calor en el intercambiador intermedio (evaporador
alta – condensador baja) siempre da lugar a pérdidas por no ser un
equipo de características ideales
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8. Sistema en cascada
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9. Sistema en cascada
3. Sistemas directos e indirectos
Para entender la diferencia entre un sistema de refrigeración directo y otro
indirecto, se puede analizar la figura siguiente, donde se observa la diferencia
entre ambas instalaciones. En la instalación directa el evaporador está en el
interior del recinto a refrigerar, mientras que en la instalación indirecta se
utiliza un refrigerante secundario para efectuar la refrigeración en dicho
recinto, este refrigerante suele ser una mezcla anticongelante como por
ejemplo glicol o salmueras
El sistema de refrigeración indirecto consta de dos circuitos de fluidos distintos:
1. Circuito Primario. Circula refrigerante y es donde se produce el frío.
2. Circuito Secundario. Circula un fluido portador del frío.
Ventajas de los sistemas indirectos:
Los sistemas indirectos permiten regulación más sencilla en plantas que
tienen muchos puntos de consumo frío distintos.
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10. Sistema en cascada
Los sistemas indirectos permiten evitar el uso de refrigerante en
espacios confinados, con lo que se reduce el riesgo de asfixia.
Permite utilizar refrigerantes menos seguros confinándolos en un
espacio controlado.
En sistemas con tendidos de tubería largos, permite evitar los problemas
ocasionados por la pérdida de presión del refrigerante en las tuberías.
Con sistemas indirectos tenemos una carga de refrigerante menor.
Con sistemas indirectos las fugas son menos probables y más fáciles de
detectar.
La contaminación con salmuera de productos alimenticios, si la salmuera
es la adecuada, es menos peligrosa.
Posibilidad de acumular frío en horas valle.
Confieren un margen de seguridad en caso de interrupción del
suministro eléctrico.
Inconvenientes de los Sistemas indirectos:
Menor eficiencia energética.
Instalación más compleja.
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11. Sistema en cascada
4. Clasificación de los sistemas de refrigeración
A efectos de lo dispuesto en el artículo 21 del Reglamento de Seguridad para
Plantas e Instalaciones Frigoríficas, los sistemas de refrigeración se clasifican
según se establece a continuación
i. Sistema directo.
Sistema de refrigeración sin circuitos auxiliares, estando el evaporador del
circuito primario directamente en contacto con el medio a enfriar o a
acondicionar.
ii. Sistema indirecto cerrado.
Sistema de refrigeración con un sólo circuito auxiliar, cuya materia circulada no
entra en contacto con el medio a enfriar o a acondicionar.
iii. Sistema indirecto abierto.
Sistema de refrigeración con un sólo circuito auxiliar, cuya materia circulada
entra en contacto con el medio a enfriar o a acondicionar.
iv. Sistema doble indirecto cerrado.
Sistema de refrigeración con dos circuitos auxiliares en serie, tal que la materia
circulada en el circuito final no entra en contacto con el medio a enfriar o a
acondicionar.
v. Sistema doble indirecto abierto.
Sistema de refrigeración con dos circuitos auxiliares en serie, tal que la materia
circulada en el circuito final entra en contacto con el medio a enfriar o a
acondicionar.
vi. Sistema indirecto cerrado ventilado.
Análogo al 1.2, pero en el que el tanque del circui to principal está a la presión
atmosférica.
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12. Sistema en cascada
vii. Sistema indirecto abierto ventilado.
Similar al indirecto abierto, pero el evaporador está situado en un tanque
abierto o comunicado con la atmósfera
5. Sistema de cascada según el enfoque termodinámico
El ciclo en cascada es un conjunto de ciclos de compresión de vapor simple en
serie, de manera que el condensador de un ciclo de temperatura inferior,
proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor. El
refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar
los intervalos de temperatura y presión (ver figura 2.4-a y 2.4-b).
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13. Sistema en cascada
5.1 Criterios que determinan las restricciones del C.R.C.V y sustitución por
el sistema en cascada.
 La diferencia de temperaturas entre el evaporador y el
condensador es grande.
 La variación de la presión del vapor con la temperatura de
saturación de un único refrigerante no se ajusta a los valores
deseados para el evaporador y el condensador.
 Cuando se utiliza una sola unidad de compresión disminuye la
capacidad de refrigeración.
5.2 Consideraciones para el análisis de los sistemas en cascada:
 Los flujos másicos de los refrigerantes en los diferentes ciclos,
generalmente tienen cantidades distintas, independientemente del tipo
de refrigerantes.
 El flujo másico está determinado por la capacidad de refrigeración
necesaria en el evaporador del ciclo B.
 El flujo de calor transferido por el condensador B debe ser igual al flujo
de calor transferido hacia el evaporador del ciclo A, cuando el
intercambiador de calor global está bien aislado.
Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial en régimen
estacionario y considerando el intercambiador de calor (condensador –
evaporador) adiabático, el balance de energía se plantea:
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14. Sistema en cascada
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15. Sistema en cascada
6. 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 presión 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.
Gráfica 1 Comparativo temperatura de descarga
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16. Sistema en cascada
7. 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.
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17. Sistema en cascada
Diagrama 2. Sistema en cascada que muestra tanque de reexpansión
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.
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18. Sistema en cascada
8. 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
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19. Sistema en cascada
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)
Diagrama 3. Sistema típico aplicado en supermercados. Lado derecho sistemas de baja temperatura; lado
izquierdo, sistemas de media temperatura e intercambiador (condensador) del sistema de baja
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
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20. Sistema en cascada
9. Ejemplo :
 Un sistema frigorífico en cascada está compuesto de ciclo estándar para
la cual emplea 2 refrigerantes el R 22 y R 134a si la T0c = 70 ºc y la
capacidad del sistema es de 12 Ton refrigeración en ella se produce un
congelamiento brusco si el interior de la cámara debe estar a -50 ºc y la
Tº de condensación de la etapa inferior es de -2 ºc además el
refrigerante que egresa del compresor de baja debe liberar todo el calor
latente determine:
a) Flujos másicos y la transferencia de calor
b) Potencia del sistema
c) COF
Solución
R-12 R-22
Tc = 60 ºc
Tic = - 50
Tcinf = -2
Tic – TE = 5
TE = - 55
Tcinf – TES = 5 a 6
TES = -7
B = R – 22
A = R – 134a
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21. Sistema en cascada
Tabla de R - 22
Punto Pbar T ºc h ( KJ/ kg) S ( m3/kg)
1 0.5 -55 382 0.4
2 4.8 40 434
21 4.8 -2 402
3 4.8 -2 198
4 0.5 -55 198
Tabla R - 134a
Punto Pbar T ºc h ( KJ/ kg) S ( m3/kg)
5 2.2 -7 394 0.9
6 15.25 68 436
61 15.25 60 426
7 15.25 60 284
8 2.2 -7 284
a) Flujos másicos y la transferencia de calor
m8 = m5
cap = m ( h5 – h8 )
43.203 Kj/se = m (110)kj/kg
m1= 0.39 kg/s
QR-22 = m (h7 – h61)
QR- 22 =- 55.38 KJ/seg
55.38 KJ/seg = m ( h1 – h4)
m2= 0.3 kg/se
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22. Sistema en cascada
b) Potencia del sistema
Pot = w22 + w134a
Pot = 0.39 kg/s( h2- h1 ) + 0.3 kg/se ( h6 – h5 )
Pot = 269 kj/ se
c) COF = CAP/ WC = 12 TON ref/ 269kJ/se = 0.4
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23. Sistema en cascada
CONCLUSIONES
Deacuerdo a los estudios brindados con respecto al sistema de refrigeracion en
caso mi tema fue de refrigeración en cascada el modo de uso ya sea con los
conocimientos brindados por parte del profesor y aplicara hacia el futuro en dar
soluciones hacia los sistemas frigoríficos en rango de una economía no muy
costosa
Hablar de sistema de cascada en un ciclo estándar o varios ciclos tenemos que
saber con refrigerantes sus modos de uso sus aspectos físicos y químicos a
emplearse para dicha planta ya en cuestión de una evaluación si favorece el
costo y entrar una producción brindada por parte de la empresa además de
esto es conveniente usar para que el tiempo de vida útil del sistema de
compresión de vapor ya sea más que todo el compresor no desarrolle trabajo
forzosos ya que requiero de otro compresor.
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24. Sistema en cascada
BIBLIOGRAFIA
 http://forofrio.com/index.php?option=com_content&view=article&id=201:s
istema-en-cascada-y-sus-aplicaciones&catid=9:actualidad&Itemid=54
 http://conversionenergiaunefm.files.wordpress.com/2009/05/guia-de-refrigeracion-
i-10.pdf
 ÿ CENGEL, Yunus A; BOLES, Michael A. TERMODINAMICA, Editorial
Mc GRAW HILL, México D.F. 2009, séptima edición.
 http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2010/12/sistema-en-cascada-y-
Sus-aplicaciones/
 http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-
refrigeracion1.pdf
 http://industriales.utu.edu.uy/archivos/mecanica-general/Apuntes/ pdf
 http:///Refrigeraci%C3%B3n#Sistemas_de_refrigeraci.C3.B3n_en_casca
da
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25. Sistema en cascada
INDICE
I. Introduccion ………………………………………………………………1
II. Objetivos …………………………………………………………………..2
III. Sistema de cascada ………………………………………………………3
IV. Concepto al sistema de cascada…………………………………………5
V. Sistemas directos e indirectos…………………………………………….9
VI. Clasificación de los sistemas de refrigeración…………………………..11
VII. Sistema de cascada según el enfoque termodinámico ………………12
VIII. Beneficios …………………………………………………………………..15
IX. Precauciones de operación y diseño …………………………………….16
X. Aplicaciones ………………………………………………………………..18
XI. Ejercicio ………………………………………………………………………20
XII. Conclusiones …………………………………………………………………23
XIII. Bibliografía…………………………………………………………………….24
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