Este documento describe máquinas frigoríficas y bombas de calor. Explica que las máquinas frigoríficas extraen calor de un espacio para enfriarlo mediante un ciclo que incluye un evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. Las bombas de calor pueden funcionar como máquinas frigoríficas o calentadores, aprovechando el calor cedido en el condensador. El documento también incluye ejemplos de cálculos de eficiencia y potencia requerida para

1. Tema 8. Máquinas frigoríficas y
bomba de calor

2. 1. Máquina frigorífica
Máquina frigorífica es el dispositivo capaz
de hacer descender la temperatura de un
determinado objeto o lugar para hacerla
inferior a la de su entorno.
La máquina frigorífica toma una cantidad
de calor Q2 de un foco frio denominado
“evaporador” y cede una cantidad de calor
Q1 a un foco caliente llamado
“condensador”.
Para que este proceso tenga lugar es
necesario suministrar una cierta cantidad
de energía W. La energía mecánica
necesaria puede ser obtenida a partir de
un motor eléctrico o compresor.

3. La transferencia de calor se realiza mediante un fluido
frigorígeno, que en distintas partes de la máquina sufren
transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o
gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los
recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a
otras..
Los fluidos frigorígenos son sustancias que cambian de
estado por condensación o evaporación, a presiones y
temperaturas determinadas.
● Evaporación: paso de líquido a gaseoso (con suministro
de calor).
● Condensación: paso de gaseoso a líquido (enfriando,
sustrayendo calor)
Los fluidos frigorígenos no deben ser tóxicos, ni fácilmente
inflamables.

4. RENDIMIENTO

5. FUNCIONAMIENTO
Las máquinas frigoríficas más extendidas son las
de compresión y están constituidas por cuatro
elementos básicos: compresor, condensador,
sistema de expansión y evaporador.
● El evaporador absorbe el calor del recinto que
queremos enfriar, el compresor aumenta la
presión del refrigerante para facilitar su
condensación y posibilitar la circulación del
fluido. En el condensador el fluido cambia de
fase pasando de gas a líquido. La válvula de
expansión reduce posteriormente la presión
provocando el enfriamiento del refrigerante.

6. Q2= QF
Q1 = QC

7. Está formado por dos transformaciones
adiabáticas y dos isóbaras
1-2 : Compresor: comprime el fluido
frigorígeno que le llega en estado de
vapor, con lo que reduce su volumen y
aumenta su presión y su temperatura. Y
facilita la circulación del fluido a lo largo
del ciclo. Transformación adiabática
2-3 : Condensador: es un intercambiador
de calor donde se licua el fluido frigorígeno
por circulación de aire o de agua. En este
proceso se cede una cantidad de calor Q1
y el fluido disminuye su volumen, a presión
constante. Transformación isobárica.
3-4 : Sistema de expansión: el fluido
líquido se expansiona disminuyendo su
presión y aumentando su volumen. Este
proceso supone una reducción brusca de
temperatura. Transformación adiabática
4-1 : Evaporador: es un intercambiador de
calor donde el fluido entra a baja presión y
temperatura. El evaporador absorbe calor
del recinto donde está situado Q2 y
transforma el fluido en vapor, y provoca
enfriamiento de su entorno.
Transformación isobárica.

8. 2.Bomba de calor
Es una máquina frigorífica
capaz de aprovechar el calor
cedido en el condensador
para calentar un
determinado espacio.
La bomba de calor está
destinada y proyectada para
producir un efecto frigorífico
en el evaporador y un efecto
calorífico en el condensador.

9. ● Eficiencia.
Las bombas de calor reversibles pueden funcionar como
dispositivos de calefacción en invierno o como máquina
frigorífica en verano.
Llevan una válvula inversora de ciclo que se encuentra a la
salida del compresor y, según la temperatura del medio a
climatizar (medida en la presión de refrigerante antes de
ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante.

10. Q2 o QfQ1 o QC
Tanto el esquema como el ciclo
termodinámico P-V, son iguales a
los estudiados en máquinas
Frigoríficas.
El fluido refrigerante a baja
temperatura y en estado gaseoso
pasa por un compresor, que eleva
su presión y aumenta su
temperatura. Una vez comprimido
el fluido refrigerante, pasa por un
intercambiador de calor llamado
'condensador', y ahí cede calor al
foco caliente Q1, por lo que el
fluido se enfría y cambia a estado
líquido. Después, a la salida del
condensador, se le hace atravesar
por una válvula de expansión, lo
cual supone una brusca caída de
presión. A esa presión, el fluido
refrigerante empieza a evaporarse.
Este efecto se aprovecha en el
intercambiador de calor llamado
evaporador y con ello absorbe
calor del foco frío Q2. El fluido
evaporado regresa al compresor,
cerrándose el ciclo.

11. EJERCICIOS
EJERCICIO 1
a) Indique los elementos fundamentales de un sistema de refrigeración
empleando vapor.
b) Describa lo que le ocurre al fluido refrigerante en cada uno de ellos.
c) Indique una desviación respecto al ciclo de Carnot reversible que
ocurre en los sistemas reales de refrigeración
Ejercicio 2
El frigorífico de un restaurante tiene dos compartimentos aislados, con
dos máquinas independientes: una para refrigeración a 4 °C y otra para
congelación a -25 °C. Sabiendo que ambas máquinas funcionan de
acuerdo al Ciclo de Carnot, y que la temperatura media del local donde
se encuentra el frigorífico se mantiene en 25 °C, calcule:
a) La eficiencia de la máquina utilizada para refrigeración.
b) La eficiencia de la máquina utilizada para congelación.

12. ● Ejercicio 3
Para mantener una habitación a 22 ºC con una bomba de calor, es
necesario suministrarle 2x105
kJ al día, cuando la temperatura exterior
es de 10 ºC. Si el coeficiente de amplificación calorífica
de la bomba de calor es el 90 % de la ideal, se pide:
a) Calcular la potencia que necesita la máquina.
b) Calcular la potencia necesaria si la temperatura exterior baja a -5 ºC,
manteniendo el mismo aporte calorífico.Tf=-5ºC .
c) Explicar el funcionamiento de una bomba de calor reversible.
● Ejercicio 4
Una pequeña nevera funciona según un ciclo frigorífico de Carnot y
enfría a una velocidad de 700 kJ/h. La temperatura de la nevera debe
ser la apropiada para que no se descongelen los alimentos en su
interior, aproximadamente -10 ºC. Suponiendo que la temperatura
ambiente del recinto en el que se encuentra la nevera es de 28 ºC,
determine: a) La eficiencia de la máquina frigorífica y la potencia que
debe tener el motor para mantener esa temperatura . b) El calor cedido a
la atmósfera. c) La potencia del motor si la eficiencia real fuese un 60 %
del rendimiento del ciclo de Carnot