Este documento describe los conceptos básicos del ciclo frigorífico, incluyendo (1) el flujo del refrigerante a través de las etapas de evaporación, compresión, condensación y expansión, (2) la representación del ciclo en diagramas T-s y p-h, y (3) factores como el refrigerante, curvas de presión de vapor y flujos de energía.

1. 27
REFRIGERACIÓN TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO
CONOCIMIENTOS BÁSICOS
Ciclo en una instalación frigorífica de
compresión básica
TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO
p
Montaje y funcionamiento de una instalación
frigorífica de compresión
El refrigerante circula en una instalación frigorífica
de compresión en un ciclo cerrado con las siguientes
cuatro estaciones:
Evaporación A
Compresión B
Condensación C
Expansión D
La generación de frío se produce en el evaporador (A).
La evaporación se produce con presiones y tempera-
turas bajas. El refrigerante absorbe calor del entorno,
enfriándolo de este modo.
El vapor refrigerante todavía frío es aspirado por un
compresor (B) y mediante la utilización de energía
mecánica se aumenta su presión. A través de la
compresión, el vapor refrigerante se calienta.
El vapor refrigerante caliente se enfría en un conden-
sador (C) y se condensa bajo la emisión de calor en
el entorno.
Después, el refrigerante líquido bajo presión se
expande de nuevo en un elemento de expansión (D)
con la baja presión de evaporación y se conduce al
evaporador.
El refrigerante se vuelve a evaporar y se finaliza así
el ciclo.
El ciclo ideal (ciclo de Carnot) de un fluido
gaseoso en el diagrama T-s
El ciclo ideal
Un ciclo se puede representar claramente en el diagrama T-s. La
temperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropíaT s. La
superficie cerrada de los cambios de estado del fluido de trabajo
corresponde al trabajo realizado en el ciclo.
El ciclo con el rendimiento más alta posible es el ciclo de Carnot.
En este caso, la superficie cerrada es un rectángulo. Este ciclo
se utiliza como proceso de referencia para describir la calidad de
un ciclo.
El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si ses
trata de un proceso de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un
proceso de máquina motriz (ciclo de vapor). Los ciclos frigoríficos
circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj y el trabajo
representado por la superficie verde se añade al ciclo.
líquido
subenfriado
conte
n
Diagrama log p-h para refrigerantes
El ciclo frigorífico
Con fluidos de trabajo que, como el agua o el
refrigerante, pueden aparecer en diversas fases, el
diagrama T-s presenta otro aspecto.s
En la parte izquierda aparece un área (gris) con el
fluido de trabajo líquido y subenfriado. En el centro
(azul) existe una mezcla de vapor y líquido, el vapor
húmedo. A su derecha (rosa) aparece el fluido de
trabajo en forma de vapor y sobrecalentado.
También el ciclo frigorífico con sus típicas transiciones
de fase se puede representar en este diagrama T-s. El
proceso es muy similar al conocido proceso motriz de
vapor. La mayor diferencia es que el ciclo circula en el
sentido contrario a las agujas del reloj. De este modo,
los procesos de evaporación y condensación así como
de estrangulación (expansión) y compresión (bombeo)
cambian sus posiciones.
La superficie cerrada (verde) corresponde al trabajo
del compresor que se añade al ciclo.
emisión de calor
en la condensación
absorción de calor
en la evaporación
esión altapre
potencia
motriz del
compresor
gaseoso
líquido
presión bajap
Ciclo frigorífico en el diagrama T-s
evaporación
vapor húmedo
temperatura de ebullición
líquido
subenfriado
en forma de
vapor sobre-
calentado
compresión
expansión
condensación
en forma de
vapor sobreca-
lentado
El diagrama log p-h para refrigerantes
En el diagrama log p-h, la presión p se ha trazado sobrep
la entalpía h.
En la parte central (azul) se encuentra el área del vapor
húmedo. En este caso, la temperatura corresponde a la
temperatura de ebullición de la presión. El área de vapor
húmedo está rodeada de curvas límite con el contenido
de vapor x=0,0 y x=1,0.
A su izquierda (gris) aparece el refrigerante líquido. La
temperatura está por debajo de la temperatura de ebulli-
ción de la presión. El refrigerante está subenfriado.
A la derecha (rosa), se muestra el refrigerante gaseoso
y la temperatura está por encima de la temperatura de
ebullición. El refrigerante está sobrecalentado.
Para cada refrigerante existe un diagrama log p-h propio.
El diagrama log p-h es más apropiado para la represen-
tación del ciclo frigorífico que el diagrama T-s, y se utiliza
principalmente para ello.
Como las energías cambiadas con el refrigerante modi-
fican la entalpía h del refrigerante, los flujos de ener-
gía pueden leerse directamente en el diagrama como
segmentos horizontales.

2. 29
REFRIGERACIÓN TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO
CONOCIMIENTOS BÁSICOS
TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO
h1 - h4
COP =
h2 - h1
Además, en el ciclo frigorífico real también se producen pérdidas de presión para que la evaporación y la condensación
no se desarrollen de forma exactamente horizontal (isobárica).
1 – 2 Compresión politrópica en la presión
de condensación (para comparar
1 – 2’ compresión isentrópica)
2 – 2’’ Refrigeración isobárica, enfriamiento
del vapor sobrecalentado
3’ – 3 Refrigeración isobárica,
subenfriamiento del líquido
1’ – 1 Calentamiento isobárico,
sobrecalentamiento del vapor
4 – 1’ Evaporación isobárica
2’’ – 3’ Condensación isobárica
Denominación
FKW R134a
FKW R404a
FKW R407a
NH3 R717
Isobutano R600a
CO2 R744
Temperatura de
ebullición
Ts = -26°C
Ts = -47℃
Ts = -39...-45°C
Ts = -33°C
Ts = -12℃
Ts = -78°C
Sustancia pura
Mezcla
Mezcla
Sustancia pura
Sustancia pura
Sustancia pura
Presión en bares a
Temperaturaen°C
Curva de presión de vapor de HCF R134a
El ciclo frigorífico en el diagrama log p-h
El ciclo frigorífico real consta de los siguientes cambios de estado:
3 – 4 Expansión isentálpica en la
presión de evaporación
Ciclo frigorífico en el diagrama log p-h
Flujos de energía en el ciclo frigorífico:
potencia frigorífica absorbida
potencia de accionamiento en el compresor
potencia térmica emitida
Visualizaciones energéticas en el diagrama log p-h
Las distancias horizontales de las esquinas del proceso en
el diagrama log p-h corresponden a las diferencias entál-
picas. En el ciclo frigorífico básico sin ramificación de los
caudales másicos, estos últimos, multiplicados por el caudal
másico del refrigerante, producen los flujos de energía o
potencias del sistema ideal. Las distancias en el diagrama
log p-h son, por tanto, una medida directa para los flujos de ener-
gía cambiadas.
El segmento 4 – 1 corresponde a la potencia frigorífica y es la
potencia útil de la instalación frigorífica. El segmento 1 – 2 es la
potencia de accionamiento empleada mediante el compresor. El
segmento 2–3 corresponde a la potencia térmica emitida mediante
el condensador. Es el calor residual de la instalación frigorífica.
De la relación potencia útil-potencia de accionamiento se puede
determinar el índice de rendimiento calorífico COP (Coefficient of
Performance, coeficiente de rendimiento).
El índice de rendimiento calorífico se puede comparar con el
rendimiento en una máquina motriz.
Para un buen funcionamiento, es importante la evolu-
ción de la presión de vapor del fluido de trabajo. Esta
debe ser gaseosa con presiones bajas y temperaturas
de refrigeración deseadas, y líquida con presiones
y temperaturas altas. Además los niveles de presión
deben ser controlables técnicamente.
En el diagrama, se muestra la curva de presión de
vapor del HFC R134a apropiado. Las temperaturas
refrigerantes normales de -26°C en el evaporador
se pueden generar con presiones de 1bar, mientras
que para la condensación solamente se requiere una
presión de 17bares con 60°C.
Mientras que con las sustancias puras, como NH3,
propano y CO2, la curva de presión de vapor está
fijada, esta se puede ajustar ampliamente con los HFC
a las necesidades mediante las mezclas de diversos
tipos básicos.
El refrigerante
Cada ciclo requiere un fluido de trabajo y en el ciclo
frigorífico se trata del refrigerante. En el ciclo frigorífico, el
refrigerante se encarga de transportar calor. En este caso
se utiliza la gran absorción de energía de la evaporación
o el suministro de energía de la condensación de un
líquido. Para poder llevar esto a cabo con las temperatu-
ras normales de una instalación frigorífica con presiones
controlables, se utilizan, como fluidos de trabajo, líquidos
de fácil ebullición como diversos hidrofluorocarburos
(HFC), amoníaco (NH3), dióxido de carbono (CO2) o
hidrocarburos como butano o propano.
Los distintos refrigerantes se marcan con una R seguidaR
de un número.
El agua, utilizada normalmente en los ciclos técnicos,
no es apropiada para el ciclo frigorífico. Con las bajas
temperaturas habituales de una instalación frigorífica, la
presión de evaporación es extremadamente baja y existe
el peligro de que el agua se congele.
La aplicación de CO2 resulta técnicamente complicada.
Se produce un nivel de presión muy elevado debido a la
baja temperatura de ebullición. Como consecuencia, los
componentes normales de la refrigeración, como válvu-
las, compresores o cambiadores de calor, no pueden ser
utilizados.
Para el NH3 también existen componentes especiales
porque los materiales cobrizos no son resistentes al
amoníaco.