Practica refrigeracion

LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS
EQUIPO DE REFRIGERACION
OBJETIVO.- Evaluar termodinámicamente la maquina térmica inversa por compresión mecánica
de vapor
ACTIVIDADES.- El alumno obtendrá y evaluara en el equipo de laboratorio su comportamiento
normal y utilizando un intercambiador de calor, a diferentes condiciones de operación.
EQUIPO Y MATERIAL
1 Equipo de Refrigeración “Hilton”
1 Multímetro
1 Tacómetro
INTRODUCCIÓN.- Del latín refrigeratĭo, la refrigeración es la acción y efecto de refrigerar. La
refrigeración consiste en extraer la energía térmica de un cuerpo para reducir su temperatura.
Por las propiedades termodinámicas, dicha energía es transferida hacia otro cuerpo. Cabe
destacar que el frío propiamente dicho no existe, sino que la temperatura es el reflejo de la
cantidad de energía que posee un cuerpo. Aun cuando los primeros antepasados del hombre,
conocieron y observaron los efectos del frío sobre sus cuerpos y sobre las cosas alrededor de
ellos, fueron chinos los primeros en recolectar y almacenar hielo del invierno para la conservación
de sus alimentos, empacándolo en paja o hierba seca. El hielo natural y la nieve fueron los únicos
medios de refrigeración por muchos siglos. Los antiguos egipcios descubrieron que la
evaporación podía causar enfriamiento, así aprendieron a colocar su vino y otros líquidos dentro
de recipientes de barro colocándolos en los techos durante las noches, de tal manera que las
brisas frías causaban evaporación y enfriaban el contenido. Hasta finales del siglo XIX el hielo
fue un importante producto de comercio entre diferentes países que no producían hielo natural.
En la década de 1900 se desarrolló la refrigeración industrial mediante el uso del ciclo mecánico,
empacadoras de carne, carnicerías, cervecerías y otras industrias, empezaron a hacer uso de la
refrigeración mecánica. Con el crecimiento de la industria eléctrica y del alumbrado de las casas,
los refrigeradores domésticos se popularizaron, sustituyendo a las cajas de hielo, que requerían
un bloque de éste diariamente. Este creciente interés en los refrigeradores domésticos, fue
ayudado por motores eléctricos, de baja potencia para operar los compresores en “cajas de hielo”
mecánicas. Desde 1920 estos utensilios han sido producidos en gran número y han llegado a
ser una necesidad para todos. No solamente la preservación de la comida en los hogares, sino
también la preservación industrial de los alimentos, es una de las más importantes y corrientes
aplicaciones de la refrigeración. La preservación comercial y el transporte de comida son tan
común, que sería difícil imaginar un mundo sin refrigeración. La refrigeración ha mejorado la
economía de muchas áreas, al suministrar un medio de preservar los productos despachados a
consumidores remotos. Ha colaborado en el desarrollo de regiones agrícolas a través de una
mayor demanda para sus productos y ha ayudado a las áreas de productos lácteos y ganado
similarmente. Antes de 1941 la mayoría de las llantas para automóviles, camiones y aviones se
hacían de caucho natural, pero debido al estallido de la Segunda Guerra Mundial se hizo difícil
el comercio de éste producto; por lo que se intensificaron las investigaciones del caucho sintético.
Los científicos observaron que mediante la utilización de bajas temperaturas, algunos procesos
de manufactura podrían hacer el caucho artificial más durable y resistente; así la refrigeración
llegó a ser vital para otra industria. Ha habido un rápido incremento de nuevos productos desde
la Segunda Guerra Mundial. La industria petroquímica, plantas textiles y la industria de
procesamiento de datos son de los más grandes usuarios de los procesos de refrigeración, pues
sin la ayuda de esta, muchos productos no podrían ser manufacturados o usados. Actualmente
con el perfeccionamiento de la calefacción, la refrigeración y el aire acondicionado mediante la
energía solar, se espera que proveerán muchas oportunidades para desarrollo de nuevos
productos.

Facultad de Estudios Superiores “Aragón” UNAM Laboratorio de Maquinas Térmicas
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Equipo de Refrigeración AST (2015) P á g i n a 2 | 23
Aplicaciones de la Refrigeración.- Las aplicaciones de la refrigeración se pueden agrupar en
cinco modalidades: refrigeración doméstica, refrigeración comercial, refrigeración industrial, aire
acondicionado para confort y acondicionamiento de aire Industrial para procesos.
Refrigeración Doméstica.- El campo de la refrigeración doméstica está limitado a refrigeradores
y congeladores caseros. Debido a la gran cantidad y mercado de los mismos, ya integrados en
los usos habituales del quehacer diario de la vida de las personas, la refrigeración doméstica
representa una parte muy significativa de la industria de la construcción de equipos de
refrigeración. Las unidades domésticas son de tamaño pequeño, teniéndose capacidades de
potencia que fluctúan entre 1/5 de HP y 2 HP. Los compresores son del tipo hermético de
pistones y/o rotativos; la condensación por gravedad en la parte trasera de los equipos y los
evaporadores, por gravedad con circuitos impresos y/o ventilados en los últimos modelos. Los
tipos de expansión por expansión directa de refrigerante o por tubo capilar.
Refrigeración Comercial.- La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y
mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos
comerciales para su venta al público en general, con lo que también se dedican a
almacenamiento, muestra y/o manipulación de productos perecederos. Una característica
esencial es el mueble frigorífico, que expone el producto perecedero, que puede ser abierto, con
cortina de aire y/o cerrado con puertas correderas y tapas, con temperaturas de +7/+10ºC, para
frutas por ejemplo, hasta –18/–20ºC congelado con helados u otros productos. Las instalaciones
que se pueden dar en este tipo de servicios es muy diverso y son intermedias entre la
refrigeración comercial e industrial, pueden ser con expansión directa de refrigerante o bien con
sistema indirecto de refrigeración de glicol. Los fluidos refrigerantes a usar son tipo freones y los
sistemas de expansión y control pueden ser electrónicos o mecánicos; se están probando en la
actualidad, instalaciones con fluidos ecológicos de gran tradición, como el amoniaco pero con
inconvenientes en los locales públicos; o el dióxido de carbono que trabaja a altas presiones. Las
instalaciones se suelen hacer con compresores del tipo semihermetico de tornillo o alternativo
según las necesidades de refrigeración, en una central frigorífica de varios compresores, de 3 a
6 unidades por central.
Refrigeración Industrial.- La refrigeración industrial son aplicaciones de refrigeración de alta,
media, baja y muy baja temperatura, en compresión mecánica hasta –60ºC, que como regla
general son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y la característica que las
distingue es que requieren tener unos equipos de mayor potencia y con mayores seguridades
que las unidades empleadas para los servicios de refrigeración comercial. Algunas aplicaciones
industriales típicas son plantas de hielo, plantas almacenadoras de alimentos (carne, pescado,
pollos, alimentos congelados, etc), cervecerías, lecherías y plantas industriales, tales como
refinerías de petróleo, plantas químicas, etc. El refrigerante a utilizar es en una gran medida
amoniaco y los sistemas de refrigeración varios, simples y dobles etapas de compresión en los
sistemas de muy baja temperatura, expansión directa de refrigerante, sistema inundado de
refrigerante con bomba o gravedad y sistema indirecto cerrado con glicol como fluido secundario
y amoniaco en primario. También se está empezando a utilizar el dióxido de carbono como fluido
secundario con amoniaco como primario. Los compresores utilizados son esencialmente de
tornillo y en algún caso de desplazamiento positivo, los sistemas de condensación en las plantas
de gran capacidad son a base de sistemas evaporativos y con equipos condensadores con
serpentines de acero inoxidable y aletas de aluminio.

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Acondicionamiento de Aire para Confort.- Cualquier sistema de acondicionamiento de aire que
tiene como función primordial la comodidad de las personas, se le llama acondicionamiento de
aire para confort. Se tienen instalaciones típicas de aire acondicionado para confort en casas,
escuelas, oficinas, iglesias, hoteles, establecimientos comerciales, edificios públicos, fábricas,
automóviles, autobuses, trenes, barcos, etc. Los sistemas de acondicionamiento de aire de
confort hoy en día son elevados, desde bombas de calor con sistemas split de dos unidades a
distancia, a grandes plantas de tratamiento de aire con agua como fluido enfriador, en todas ellas
los sistemas de refrigeración y las bombas de calor, son elementos de un sistema frigorífico de
mayor o menor medida y tamaño, con refrigerantes de acuerdo a las necesidades de
temperaturas de uso y las condiciones externas del lugar de instalación. De los distintos sistemas
de instalación y refrigeración, uno de los más usados en la actualidad son sistemas de VRV
(refrigerante variable) con compresores tipo scroll, así como las bombas de calor aire/aire y
aire/agua con calderas de apoyo y/o aportación térmica directa de caldera.
Acondicionamiento de Aire Industrial.-Las aplicaciones de acondicionamiento de aire industrial
son muchas y variadas. En general, las funciones de los sistemas de acondicionamiento de aire
industrial son enfriamientos térmicos y procesos de humidificación/deshumidificación, de
diversos tipos de materiales, con variedad de formas, pesos, temperaturas y condiciones, donde
los diseños son ex profeso para ésa única aplicación y control dedicado. Entre ellos se pueden
citar el secado de productos como jamones, embutidos, pieles, pescado, enfriamiento de
plásticos de inyección, enfriamiento de agua de procesos térmicos, etc. Otra aplicación industrial
es el acondicionamiento de los cuartos de control. De manera general los cuartos de control de
las plantas de proceso requieren de aire acondicionado para enfriar los servidores de datos y
sistemas computarizados de control, ya que estos equipos generan mucho calor y pueden llegar
a dañarse si alcanzan altas temperaturas. En las plantas donde se trabaja con sustancias toxicas
o explosivas, los sistemas de aire acondicionado son muy importantes, ya que mantiene los
cuartos de control con presión positiva (mayor a la atmosférica), limpias y libres de contaminantes
(esto último con filtros especiales). Si estos equipos fallan, se permitiría que entrara gas tóxico,
que envenenaría a los operadores; o gas combustible, que produciría una explosión al estar en
contacto con chispas eléctricas. En la industria farmacéutica y de alimentos, los sistemas de aire
acondicionado, evitan que el aire de los alrededores entre a la planta y contamine las sustancias
que se están procesando.
Fundamentos.- Refrigerar consiste en conseguir una temperatura más baja que la del medio
ambiente inmediato. En cualquier sistema práctico de refrigeración, el mantenimiento de la baja
temperatura quiere la extracción de calor del cuerpo a refrigerar a baja temperatura y la cesión
de este calor a una temperatura más alta.
Elevación de la Temperatura de un refrigerante.- Uno de los modos obvios de enfriar un producto
es ponerlo en contacto con una sustancia más fría llamada refrigerante. Los refrigerantes
normalmente son sustancias liquidas aunque también pueden usarse sustancias sólidas. La
cantidad de calor absorbida por el refrigerante en un proceso a presión constante viene dada
por la fórmula:
= ∆
= ⁄
"# = " $ % % & °"⁄
∆( = ) % $ °"

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Cambio de Estado.- El hecho de que un refrigerante necesita calor para pasar de sólido a líquido,
de líquido a vapor, o de sólido a vapor, es de mucha aplicación en la refrigeración. El cambio de
fase sólida a líquida se llama fusión, y el calor absorbido por el refrigerante es el Calor de Fusión.
El ejemplo más notable es la fusión del hielo. La demanda de hielo continúa aumentando con el
transcurso de los años. Se hace amplio uso de él en casas, restaurantes, almacenes, transportes
refrigerados y usos industriales. Una ventaja del uso del hielo es que la refrigeración no requiere
el uso de equipo mecánico. Una desventaja frecuente es el problema de la eliminación del agua.
Otra desventaja es la imposibilidad del hielo de enfriar un producto a temperatura más baja que
0°C. El cambio de fase líquida a vapor se llama vaporización y el calor absorbido por el
refrigerante en este cambio de fase se llama Calor Latente de Vaporización. Este proceso de
refrigeración es el más usado debido a que tiene lugar en el ciclo de compresión de vapor.
Controlando la presión a la que se realiza la vaporización, se regula la temperatura del proceso.
Otro cambio de fase que puede servir para producir refrigeración es la transformación de sólido
a vapor. Este proceso se llama sublimación y el calor absorbido en el proceso se conoce con el
nombre de Calor de Sublimación. La característica propia de la sublimación es que la sustancia
pasa directamente de la fase solida a la fase vapor, sin pasar por la fase liquida. La sublimación
ocurre a presiones más bajas que el proceso combinado de fusión y vaporización. El hielo seco
es el ejemplo más común del uso de la sublimación en la refrigeración. El hielo seco es el
anhídrido carbónico sólido que cuando se calienta a la presión atmosférica, pasa directamente
de solido a vapor. El hielo seco se sublima a -78°C, pudiendo, por tanto, mantener bajas
temperaturas. El uso de hielo seco resuelve el problema de la eliminación del líquido procedente
de la fusión. La cantidad de calor absorbida por el refrigerante en un cambio de fase viene
dada por la fórmula:
= ∆*
= ⁄
∆ℎ = , % $ &⁄
Expansión de un Líquido.- La expansión de un líquido origina el descenso de su temperatura.
El descenso de temperatura es ligero si la sustancia permanece en estado líquido durante la
expansión, pero apreciable si la expansión se realiza dentro de la región de vapor saturado
(líquido- vapor). Consideremos la expansión isoentrópica de un líquido refrigerado a una baja
presión
Figura 1.- Diagrama Temperatura-Entropía mostrando la expansión de un líquido

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La Figura 1 es un diagrama. temperatura-entropía mostrando las líneas de líquido saturado
y de vapor saturado de cierta sustancia. En la región del líquido se han trazado varias
líneas de presión constante. Si al punto 1 es el estado antes de la expansión y el 2 es el
punto después de la expansión Isoentrópica, observamos que en la región del líquido el
descenso de la temperatura es muy pequeño. Por otra parte, cuando la expansión se realiza
dentro de la región de vapor saturado, la reducción de temperatura puede ser apreciable.
Si consideramos una expansión isoentrópica de un líquido saturado a partir del punto 3 hasta el
punto 4, resulta un mayor pronunciado descenso de temperatura. Sin embargo, si el proceso
es irreversible y adiabático (expansión isoentálpica), se pasará desde 3 hasta 4', y la reducción
de temperatura es tan grande como en el caso isoentrópico. Por lo tanto, en la expansión de un
líquido en la región de vapor saturado se manifiesta un mayor descenso de temperatura.
Expansión de un Gas.- Es posible una reducción de temperatura cuando un gas perfecto se
expande en régimen permanente. El descenso de temperatura puede ser despreciable o
pronunciado, según la forma en que se realice la expansión. El proceso de estrangulamiento
adiabático es un ejemplo de expansión en flujo permanente. Como en este proceso no se realiza
ningún trabajo, se considera a entalpia constante y no existe descenso de la temperatura. Si ese
gas perfecto se expande realizando un trabajo, el proceso se considera a entropía constante y
el descenso de temperatura es notable.
El Ciclo de Carnot.- El rendimiento del Ciclo de Carnot es mayor que el de cualquier otro ciclo
que trabaje entre las dos mismas fuentes de temperaturas. El Ciclo de Carnot en una máquina
térmica y está representada esquemáticamente con su correspondiente diagrama temperatura-
entropía en la Figura 2. La máquina térmica de Carnot recibe energía de un foco caliente a alta
temperatura (Q2), convierte una porción de energía en trabajo y cede la restante a un foco frío a
baja temperatura (Q1). Éste presenta cuatro procesos. Hay dos ramas reversibles adiabáticas y
dos ramas reversibles isotérmicas. El ciclo de Carnot utiliza como fluido de trabajo el gas ideal.
Figura 2.- Representación en diagramas del Ciclo de Carnot
El sistema está contacto con un depósito de calor, que es una masa lo bastante grande tal que
su temperatura no cambia apreciablemente cuando una cierta cantidad de calor se transﬁere
hacia el sistema. El sistema entonces experimenta una extensión isotérmica de 1 a 2, con una
cantidad de calor absorbido Q2. En el estado 2, al sistema se le remueve del contacto con el
reservorio de calor y entonces se expande hasta 3. Durante esta expansión la temperatura

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disminuye a T1. El intercambio de calor durante esta parte del ciclo es Q=0. En el estado 3 el
sistema se pone en contacto con un reservorio de calor a temperatura T1. Entonces el gas se
comprime hasta el estado 4, expulsando calor Q1 en el proceso. Finalmente, el sistema se
comprime adibáticamente de nuevo hasta el estado inicial 1. El intercambio de calor durante esta
parte del ciclo es Q=0.
El Ciclo Inverso de Carnot.- Hemos analizado el ciclo de Carnot aplicado a la obtención de
trabajo, pero podemos también hacer que éste funcione al revés. El ciclo Inverso de Carnot es
la base termodinámica del ciclo ideal de refrigeración ya que consigue el efecto inverso de la
maquina térmica, porque transporta energía desde un foco frio a un foco caliente. Para realizar
el ciclo de refrigeración se necesita suministrar un trabajo externo. El resultado es que el trabajo
neto realizado sobre el sistema, permite al calor que se extrae de la fuente de baja temperatura
sea transportado por el sistema a una fuente de alta temperatura. El diagrama esquemático y el
diagrama temperatura-entropía se muestran en la figura 3.
Figura 3.- Representación en diagramas del Ciclo Inverso de Carnot
Todos los procesos del ciclo son termodinámicamente reversibles. En consecuencia, los
procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos. La absorción de calor del foco frio Q1 en el proceso 4-1 se
realiza a temperatura constante T1 y es la operación de refrigeración y al mismo tiempo el efecto
refrigerante o útil del ciclo. La expulsión de calor al foco caliente Q2 en el proceso 2-3 también se
realiza a temperatura constante T2. En resumen, el ciclo tiene como misión que la energía tomada
de un foco frio a baja temperatura pueda ser cedida a un foco caliente a alta temperatura
Coeficiente de Funcionamiento.- Para poder evaluar el grado de bondad de un sistema de
refrigeración, debe definirse en término que exprese su efectividad. Sin embargo, no se
emplea la expresión “rendimiento” porque este término en termodinámica, se reserva
comúnmente para comparar el aprovechamiento a la salida con respecto a la entrada. La
relación de la salida a la entrada daría lugar a confusión si se aplicase a un sistema de
refrigeración, porque el calor desechado en el foco caliente no es generalmente
aprovechable. Por lo tanto, en refrigeración se emplea el término de “funcionamiento”. Sin
embargo, el índice de funcionamiento del ciclo de refrigeración es la misma relación que
el rendimiento:

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-./010.23. 4. /5210-26 0.23- = 7./ 08. 610-2 5309 6:6;- 2.3-⁄
Los dos términos que intervienen en el coeficiente de funcionamiento deben estar en las
mismas unidades, es decir, el coeficiente de funcionamiento es una magnitud adimensional.
Es de desear tener el mejor coeficiente de funcionamiento posible, puesto que esto indica
que una refrigeración dada necesita el menor trabajo posible. Si expresamos el coeficiente
de funcionamiento en función de las temperaturas del Ciclo de Carnot, el calor puesto en
juego para un proceso reversible vale < => = ? ( . Las áreas por debajo de la línea del
proceso reversible en el diagrama temperatura-entropía representan los calores que
intervienen en el ciclo de refrigeración. Las áreas rayadas de la figura 4 representan la
cantidad de refrigeración lograda y el trabajo neto o suministrado.
Figura 4.- Representación en el diagrama T-s de la refrigeración útil y el trabajo neto del Ciclo Inverso de Carnot
La refrigeración útil es el calor absorbido en el proceso 4-l, o sea, el área por debajo de la
línea. 4-l. El área por debajo de la línea 2-3 representa el calor cedido en el ciclo. La
diferencia entre calor cedido y calor absorbido en el ciclo es el calor neto, que en un proceso
cíclico es igual al trabajo neto. El área delimitada por el rectángulo l-2-3-4 representa, pues
el trabajo neto. Por tanto, una expresión del coeficiente de funcionamiento del ciclo de
refrigeración de Carnot es:
-./010.23. 4. /5210-26 0.23- =
@ A@ − AC
D − @ A@ − AC
=
@
D − @
El coeficiente de funcionamiento del ciclo de Carnot es únicamente una función de los límites
de temperatura y puede variar desde 0 hasta infinito. Si T1 es pequeño, el coeficiente de
funcionamiento será grande; si T1 es grande aumentará el numerador y disminuirá el
denominador, con lo que por ambos lados aumentará el coeficiente de funcionamiento. Por
consiguiente, el valor de T1 tiene un efecto más pronunciado sobre el coeficiente de
funcionamiento que el de T2. En resumen, para tener un alto coeficiente de funcionamiento
se debe:
1.- Trabajar con un T1 grande
2.- Trabajar con un T2 pequeño

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En base a este análisis, podríamos suponer que podemos tener un control completo sobre las T1
y T2. Si esto fuera así, T1 podría hacerse igual a T2 y conseguiríamos que el coeficiente de
funcionamiento fuese igual a infinito. Sin embargo, los sistemas de refrigeración tienen límites de
temperaturas que deben de respetar. La temperatura del foco frio depende de la temperatura
interior del local a se desea refrigerar y la temperatura del foco caliente depende de la
temperatura ambiente. Por ejemplo, si el sistema de refrigeración debe mantener una
temperatura interior de -18°C (255°K) y desprender el calor a la atmosfera a 20°C (293°K), estos
son dos límites de temperatura que el ciclo tiene que respetar. Durante el proceso de cesión de
calor, la temperatura del refrigerante tiene que ser superior a 293°K. Durante el proceso de
refrigeración, la temperatura del refrigerante debe ser inferior a 255°K, para que pase el calor del
foco frio al refrigerante. El ciclo resultante es el mostrado en la figura 5 y este ciclo no sería
exactamente el llamado Ciclo de Carnot porque todos sus procesos son reversibles, y las
transferencias de calor, cuando existe una diferencia de temperatura, son procesos irreversibles.
Figura 5.- Limites de temperatura impuestos al ciclo de refrigeración
La temperatura T2 debe mantenerse baja, pero no puede reducirse por debajo de 293°K. La
temperatura T1 debe mantenerse alta pero no puede elevarse por encima de 255°K. Para
mantener un control sobre estos diferenciales de temperatura debemos procurar hacer el ∆ tan
pequeño como sea posible. La reducción del ∆ se consigue aumentando el área de
transferencia de calor (A) o el coeficiente total de transmisión de calor (U) en la ecuación:
= E F ∆
Para disminuir ∆ hasta hacerlo cero, hay que hacer infinitos, bien a F o a E. Como el lograr
valores infinitos de F y E requeririan un costo infinito, no se llega nunca a reducir el valor de ∆
al valor de cero.

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Modificaciones al Ciclo Inverso de Carnot.- Aunque el ciclo representado la figura 6 tiene un
buen coeficiente de funcionamiento, es necesario, por consideraciones prácticas, hacer ciertas
modificaciones. Estos cambios se hacen en el proceso de compresión l-2· y en el proceso de
expansión 3-4.
Figura 6.- Ciclo de refrigeración de Carnot cuando el refrigerante es un fluido condensable
Consideremos primeramente el proceso de compresión. El proceso de compresión 1-2 de la
figura 6 se llama compresión húmeda, porque el proceso completo ocurre en la región de la
mezcla saturada con presencia de gotitas de líquido. Cuando se utiliza un compresor de émbolo
hay varias razones en contra del su uso en esta región. Una razón consiste en que el líquido
refrigerante puede quedar detenido en la culata del cilindro al subir el pistón, con la posibilidad
de averiar las válvulas o la culata. Aunque el punto final de la compresión, señalado como
punto 2 en la figura 6, corresponde a vapor saturado, lo cual significa que no hay líquido, tal cosa
no sucede en la realidad. Durante la compresión, las gotitas de líquido se vaporizan según un
proceso de transferencia de calor que requiere cierto tiempo. Los compresores a alta velocidad
son especialmente vulnerables a averías originadas por el líquido, a causa del poco tiempo
disponible para la transferencia de calor. Al final de la compresión, el punto 2, sobre la línea de
vapor saturado, representa únicamente las condiciones medias de una mezcla de vapor
recalentado y líquido.
Otro posible peligro de la compresión húmeda es que las gotitas de líquido pueden arrastrar el
aceite de lubricación de las paredes del cilindro, acelerándose así el desgaste. A causa de las
desventajas mencionadas, la compresión seca es preferible a la compresión húmeda. La
compresión seca se realiza sin que existan gotitas de líquido presentes. Si el refrigerante que
entra en el compresor es vapor saturado, como en la figura 7, la compresión desde el punto l al
2 se llama compresión seca. Con la compresión seca, el ciclo pierde la forma rectangular del
Ciclo de Carnot. La compresión de un vapor seco termina a la temperatura del punto 2, que es
superior a la temperatura de condensación. Por tanto, el refrigerante sale del compresor
recalentado. La porción del ciclo por encima de la temperatura de condensación se llama
triángulo de recalentamiento. El área del triángulo de recalentamiento en el diagrama Ts
representa el trabajo adicional necesario para la compresión seca.

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Otra modificación que se hace en el Ciclo Inverso de Carnot es en el proceso de expansión. El
Ciclo Inverso de Carnot exige que la expansión se realice a entropía constante y que el trabajo
que se obtiene se utilice para mover el compresor. Sin embargo, dificultades prácticas se oponen
al uso de la máquina de expansión. En primer lugar, el posible trabajo que puede obtenerse con
la máquina es una pequeña fracción del que debe suministrarse al compresor. En segundo lugar,
surgen dificultades prácticas en la lubricación cuando un fluido de dos fases empuja al émbolo.
Finalmente, la potencia recuperada raras veces justifica el costo de la máquina de expansión.
Figura 7.- Modificaciones al Ciclo Inverso de Carnot
Sin embargo, sigue siendo necesario reducir la presión del líquido en el proceso 3-4. Un
estrangulamiento, tal como una válvula u otro dispositivo similar es el sistema casi
universalmente usado con este fin. Si no existen cambios de energía potencial ni cinética, y si no
hay transferencia de calor, el proceso es isoentálpico (h3 = h4). El proceso de estrangulamiento
a entalpía constante es irreversible, y durante el proceso la entropía aumenta. El proceso de
estrangulamiento se realiza entre los puntos 3 y 4 de la figura 7.
Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor.- Una vez que se toman en
cuenta las consideraciones prácticas que modifican el Ciclo Inverso de Carnot, podemos analizar
el Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor en el diagrama T-s de la figura 8. Los
procesos que comprende este ciclo son los siguientes:
Compresión Adiabática y Reversible (1-2).- El vapor refrigerante que sale del evaporador entra
al compresor en forma de vapor saturado y se realiza una compresión seca sin que existan
gotitas de líquido presentes, hasta la presión del condensador. Al comprimir el vapor refrigerante
también se tiene un aumento de temperatura.
Cesión Reversible de Calor a Presión Constante (2-3).- El vapor refrigerante sale del compresor
a alta temperatura y presión en la zona de recalentamiento y posteriormente se condensa a
presión constante. Para cambiar al estado líquido, se le debe eliminar calor. Esto se logra en el
condensador, en donde el calor se transfiere del refrigerante al fluido de enfriamiento y, como
resultado de ello, el refrigerante se condensa y pasa a la forma líquida.

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Figura 8.- Diagrama T-s del Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor
Expansión Irreversible a Entalpia Constante (3-4).- El refrigerante se encuentra en estado líquido
saturado, a una presión y temperatura relativamente altas. Pasa a través de una válvula de
expansión. El refrigerante pierde presión al pasar por esta restricción. La presión en el estado 4
es tan baja que se evapora una pequeña parte del refrigerante. Pero para evaporarse debe ganar
calor, que toma de la parte del refrigerante que no se evaporó, y así se enfría la mezcla,
produciendo la baja temperatura en el estado 4.
Adición Reversible de Calor a Presión Constante (4-1).- El líquido refrigerante saturado pasa a
través del evaporador cuya función es retirar calor de sus alrededores, produciendo el efecto de
enfriamiento que se desea. El refrigerante hierve debido al calor que recibe del evaporador. Para
cuando sale del evaporador, está vaporizado por completo.
Figura 9.- Diagrama P-h del Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor

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De la misma manera, podemos analizar el Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor en
el diagrama P-h de la figura 9. El proceso 1-2 es la compresión isoentropica a lo largo de la línea
de entropía constante desde el estado de vapor saturado a la salida del evaporador hasta la
presión del condensador. El proceso 2-3 es a presión constante, con principio en la región del
vapor sobrecalentado en la salida del compresor, seguido de una condensación, y es una línea
horizontal. El proceso de estrangulamiento 3-4 en la válvula de expansión, es a entalpia
constante, y por lo tanto, la línea representativa es vertical. Por último, el proceso de evaporación
4-1, está representado por una línea horizontal porque el flujo de refrigerante a través del
evaporador se supone que es a presión constante.
Representación Gráfica de las Propiedades de los Refrigerantes.- Todos los refrigerantes
usados comúnmente en los sistemas por compresión de vapor presentan características
similares, aunque los valores numéricos de las propiedades varíen de un refrigerante a otro. El
diagrama presión-entalpia es el medio grafico más común de representar las propiedades de un
refrigerante. En la refrigeración, la entalpia es una de las propiedades termodinámicas más
importantes y la presión, por lo general, puede determinarse muy fácilmente. Un ejemplo se
muestra en la figura 10.
Figura 10.- Diagrama presión-entalpia de un refrigerante
La presión es la ordenada y la entalpia la abscisa. Con las curvas de vapor y líquido saturados
como referencia, aparecen en el diagrama las líneas de temperatura, entropía y volumen
específico constantes. Las líneas de temperatura constante son horizontales en la región
saturada, pues en ésta la temperatura debe corresponder con la presión de saturación. La región
de líquido subenfriado está a la izquierda de la curva de líquido saturado. En esta región, las
líneas de temperatura constante son prácticamente verticales. En esta región, las líneas de
temperatura constante son prácticamente verticales. Por consiguiente, la temperatura de un
líquido subenfriado, determina la entalpía, pero no la presión. La región del vapor sobrecalentado
está a la derecha de la curva del vapor saturado. En la región del vapor sobrecalentado, las
líneas de temperatura constante descienden primero lentamente hacia la derecha, y después

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verticalmente. Las líneas de volumen específico constante y la de entropía se elevan hacia la
derecha, en donde las primeras tienen un ángulo menor que las segundas. Una compresión
reversible adiabática, la cual es isotrópica muestra un aumento de entalpia al aumentar la presión
durante la compresión.
Análisis del Ciclo de Refrigeración.- El análisis termodinámico del ciclo de refrigeración
estándar por compresión de vapor puede realizarse fácilmente con la ayuda del diagrama
presión-entalpia (ver figura 9). Este análisis comprende: el trabajo de compresión, el calor cedido,
la expansión isoentálpica, el efecto refrigerante y el coeficiente de funcionamiento.
El trabajo de compresión es igual a la variación de entalpia en el proceso 1-2, es decir: *@ − *D
Esta relación se deduce de la ecuación de la energía en flujo permanente, cuando las variaciones
de energía cinética y potencial son despreciables: *@ − G = *D − H. Como en la compresión
adiabática el calor es cero, el trabajo es igual a: H = *@ − *D. La diferencia de entalpias es
negativa, lo que significa que el trabajo se realiza contra el sistema. Aun siendo el compresor de
pistones en los cuales el flujo es intermitente en lugar de permanente, el proceso 1-2 representa
también la acción del compresor. En la tubería, a una cierta distancia del compresor, el flujo se
habrá regularizado y tenderá a hacerse permanente. El cálculo del trabajo del compresor es
importante porque suele ser uno de los mayores costos del funcionamiento del sistema.
El calor cedido en el condensador, es el calor que sale del refrigerante en el proceso 2-3, y vale
*J − *D . Esta relación se deduce también de la ecuación de la energía en flujo permanente
cuando las energías cinética y potencial y el trabajo desparecen. Su valor es negativo, lo que
significa que el calor es cedido por el refrigerante. El valor del calor cedido se necesita para el
cálculo de las dimensiones y del caudal necesario de líquido refrigerante en el condensador.
La expansión isoentálpica en la válvula termostática, es el paso del refrigerante de la presión alta
de descarga del compresor en el condensador a una presión baja debido a la succión del
compresor que existe en el evaporador, si no existen cambios de energía potencial ni cinética, y
si no hay transferencia de calor, el proceso es isoentálpico *J = *C. El proceso de
estrangulamiento a entalpía constante es irreversible y durante el proceso la entropía aumenta.
El efecto refrigerante en el evaporador, es el calor puesto en juego en el evaporador en el proceso
4-1, es decir *@ − *C. Su valor es positivo, lo que significa que el calor es absorbido por el
refrigerante. El valor del calor absorbido es necesario porque precisamente este proceso es el
fin o único efecto útil de todo el sistema.
Uso del Intercambiador de Calor.- En la práctica, algunos sistemas de refrigeración utilizan un
intercambiador de calor liquido-vapor para mejorar el ciclo de refrigeración ya que aumenta el
efecto refrigerante. Este intercambiador de calor subenfría el líquido caliente que sale del
condensador utilizando el vapor frio procedente del evaporador. La instalación y el
correspondiente diagrama P-h están representados en la figura 11. El líquido saturado
procedente del evaporador, punto 3, se enfría hasta el punto 4 usando el vapor del punto 6 que
se calienta hasta el punto 1. El balance térmico es: *J − *C = *@ − *K. El efecto refrigerante
es igual a *K − *L o también *@ − *J.

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Figura 11.- Sistema de refrigeración con intercambiador de calor
Aunque se obtiene cierta mejora del rendimiento, las ventajas de esta modificación son
estrictamente prácticas:
1.- Para una capacidad de enfriamiento determinada, existe un menor caudal de refrigerante.
2.- Aunque aumenta el efecto refrigerante, la compresión se lleva a cabo en la región de vapor
sobrecalentado donde le trabajo de compresión es mayor que en la proximidad de la curva de
vapor saturado.
3.- Existe menos evaporación en la tubería de líquido cuando esta es muy extensa
4.- Con el subenfriamiento del líquido que sale del condensador, se evita la presencia de burbujas
de vapor que obstruyan el flujo de refrigerante a través de la válvula de expansión.
5.- Se obtiene la eliminación de pequeñas gotas de líquido refrigerante en la entrada del
compresor, debido a que el vapor a la entrada del compresor esta sobrecalentado
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.- La unidad de refrigeración de laboratorio “Hilton” fue diseñada
para demostrar el funcionamiento de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. En la
figura 12 se muestra el diagrama esquemático del equipo, donde se visualizan los flujos del
refrigerante (R-12) y del agua de enfriamiento del condensador. El compresor es del tipo
reciprocante de dos cilindros, accionado por un motor eléctrico por medio de poleas y bandas;
el condensador es enfriado por agua logrando con ello dos objetivos: primero, que sea muy
compacto y segundo que pueda realizarse un balance térmico en el equipo, con bastante
exactitud mediante un medidor de flujo de agua (rotámetro). Después del condensador el
refrigerante llega a una válvula desviadora de tres vías que permite la operación de la unidad
con o sin intercambiador de calor. Antes de entrar a la válvula de expansión se encuentra
un medidor de flujo de refrigerante y posteriormente entra al evaporador en donde la carga
de refrigeración se suministra mediante una resistencia eléctrica (la medición precisa de la carga
de refrigeración se realiza mediante un amperímetro y un voltímetro). El equipo responde
rápidamente a cambios de carga y se estabiliza en 5 minutos después de modificar las
condiciones de operación. Posteriormente el líquido pasa por el intercambiador de calor que
puede estar o no en operación y finalmente, llegar al compresor completándose así el ciclo. Un
termómetro electrónico, por medio de termopares y cuatro escalas de medición se emplea para

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la medición de las temperaturas en los diferentes puntos de interés del ciclo. La presión del
evaporador se controla automáticamente con la válvula de expansión termostática, aumentando
cuando la carga de refrigeración crece y la presión en el condensador es controlada por el
flujo de agua de enfriamiento, decreciendo al aumentar el flujo de ésta.
Figura 12.- Diagrama Esquemático del Equipo de Refrigeración de Laboratorio Hilton

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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
1.- Análisis Termodinámico en el Compresor
1a).- Potencia al Freno.
M/1 = N O DPQ KR⁄
S = " $ $ % = 0.15
= W X
YZ = , % % % []
1b).- Calor perdido.
^1 = _` *D − *@ + M/1b @RRR c
= ⁄
ℎd = e $ < % $ − ℎ &⁄
ℎf = e $ < % $ − ℎ &⁄
2.- Análisis Termodinámico en el Condensador
2a).- Calor absorbido por el refrigerante
6 1 = _` *J − *D b @RRR c
= ⁄
ℎf = e $ < % − ℎ &⁄
ℎg = e $ < % − ℎ &⁄
2b).- Calor absorbido por el agua.
6H1 = _` H hDi j − k b @RRR c
l = ⁄
"#mfn = " $ % % = 4.186 & °"⁄
(r = ( $ < % &⁄
(s = ( $ < % &⁄
2c).- Calor perdido.
^14 = 6H + 6
tlu = " v v $ %
t u = " v v $ %
3.- Análisis Termodinámico en el Evaporador
3a).- Calor Suministrado.
w. = x. y.
,= = , % % Y $ Y
)= = " % % Y $ $

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3b).- Calor absorbido por el refrigerante
6 . = _` *K − *L b @RRR c
= ⁄
ℎz = e $ < Y $ − ℎ &⁄
ℎ{ = e $ < Y $ − ℎ &⁄
3c).- Calor perdido.
^. = 6 . − w.
|= = " Y $
t = = " v v $ Y $
4.- Análisis Termodinámico en el Intercambiador de Calor (Solo en las lecturas en donde se utilizó)
4a).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del vapor)
6 Q = _` *@ − *K b @RRR c
= ⁄
ℎd = e $ < % $ − ℎ &⁄
ℎ{ = e $ < Y $ − ℎ &⁄
4b).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del líquido)
6 9 = _` *C − *J b @RRR c
= ⁄
ℎ} = e $ Y Y ~$ − ℎ &⁄
ℎg = e $ < % − ℎ &⁄
4c).- Calor perdido
^0 = 6 Q + 6 9
t > = " v v $ Y $
t • = " v v $ <
5.- Calculo de los Coeficientes de Operación
5a).- En base a la potencia absorbida por el motor eléctrico.
i @ = w. M⁄
w. = € % 3
M = x y R. Lk
,Z = , % % Y
)Z = " % % $
5b).- En base a la potencia al freno.
i D = w. M/1‚
w. = € % 3
M/1 = € % 1

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5c).- En base al ciclo ideal.
i J = *K − *L *Dw − *@⁄
ℎd = e $ < % $ − ℎ &⁄
ℎf| = e $ % % $ $ % − ℎ &⁄
ℎz = e $ < Y $ − ℎ &⁄
ℎ{ = e $ < Y $ − ℎ &⁄
El punto 2s se determina del diagrama P-h considerando un proceso de compresión a entropía constante, desde la
presión de succión del compresor (punto 1), hasta la presión de descarga del compresor (punto 2) (Ver figura 13)
5d).- En base a las temperaturas absolutas del ciclo inverso de Carnot.
i C = ƒ E − ƒ⁄
(„ = ( $ % ó v $ $ °S
(† = ( $ % ó v $ v $ °S
TA y TB se obtienen del diagrama P-h, donde se interceptan la presión del evaporador (TB) y la presión del
condensador (TA) con la línea de vapor saturado de la campana de Gauss. (Ver figura 13)
Figura 13.- Ciclo de Refrigeración obtenido en el equipo del laboratorio
6.- Representación Gráfica de los Coeficientes de Operación (COP1 y COP2)

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7.- Representación Gráfica del Comportamiento del Flujo de Refrigerante
GRÁFICAS
1. Graficar en el Diagrama P-h del refrigerante R-12, el Ciclo de Refrigeración obtenido de cada
una de las condiciones de operación (6) que se llevan a cabo en el equipo. Se recomienda
que los valores obtenidos en este diagrama se utilicen para desarrollar la práctica.
2. Graficar en el Diagrama T-s del refrigerante R-12, el Ciclo de Refrigeración obtenido de cada
una de las condiciones de operación (6) que se llevan a cabo en el equipo.
3. Dibujar en papel milimétrico tamaño carta, las gráficas de los incisos 6 y 7.
RESULTADOS
El alumno presentara una secuencia detallada de los cálculos efectuados y hará una tabla con
los resultados obtenidos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El alumno dará sus conclusiones y las recomendaciones que crea convenientes para el
mejoramiento de esta práctica.

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TABLA DE RESULTADOS
C o n c e p t o Símb Unid 1 2 3 4 5 6
1 Análisis Termodinámico en el Compresor
1a Potencia al Freno M/1
1b Calor perdido ^1
2 Análisis Termodinámico en el Condensador
2a
Calor absorbido por el
refrigerante 6 1
2b Calor absorbido por el agua 6H1
2c Calor perdido ^14
3 Análisis Termodinámico en el Evaporador
3a Calor Suministrado w.
3b
refrigerante 6 .
3c Calor perdido ^.
4 Análisis Termodinámico en el Intercambiador de Calor (Solo en las lecturas en donde se utilizó)
4a
refrigerante (lado del vapor) 6 Q
4b
refrigerante (lado del líquido) 6 9
4c Calor perdido ^0
5 Calculo de los Coeficientes de Operación
5a
En base a la potencia
absorbida por el motor i @
5b
En base a la potencia al
freno i D
5c En base al ciclo ideal i J
5d
En base a las temperaturas
abs. ciclo inverso de Carnot i C
TABLAS DE ENTALPÍAS ESPECÍFICAS DEL DIAGRAMA − * ‡ˆ ‡8⁄
C o n c e p t o Símb. 1 2 3 4 5 6
Entrada del compresor *@
Salida del compresor *D
Compresión isoentropica *Dw
Salida del condensador *J
Entrada válvula expansión *C
Salida válvula expansión *L
Salida del evaporador *K

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TABLA DE LECTURAS
C o n c e p t o Símb. Unidad 1 2 3 4 5 6
Temperatura entrada compresor @ °"
Temperatura salida compresor D °"
Temperatura salida condensador J °"
Temperatura entrada válvula
expansión C °"
Temperatura entrada evaporador L °"
Temperatura salida evaporador K °"
Temperatura entrada agua al
condensador k °"
Temperatura salida agua del
condensador j °"
Presión del Condensador 1 v
Presión del evaporador . v
Flujo de refrigerante ⁄
Flujo de agua en el condensador H ‰]
Voltaje en el evaporador x. Y
Corriente en el evaporador y. $
Voltaje en el motor eléctrico x Y
Corriente en el motor eléctrico y $
Fuerza en el dinamómetro O X
Velocidad en el compresor Q1 []
Velocidad en el motor eléctrico Q []
Intercambiador de calor ( si / no )

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