REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD FERMÍN TOROFACULTAD DE INGENIERÍA

CABUDARE.EDO-LARA

REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

BACHILLER:MAXIMO PEREZ

Los ciclos de refrigeración de vapor son máquinas térmicas inversas, debido a que

el arreglo que posee se basa en el ciclo de carnot inverso, debido a que su dirección de flujo

está en el sentido contrario de las agujas del reloj. Son ciclos en los que el calor Q va de

menor a mayor temperatura, los cuales necesitan el aporte de energía a través de los

dispositivos mecánicos que intervienen en un refrigerador, teniendo cada uno de ellos una

función principal dentro del ciclo. Estos dispositivos son:

El evaporador: Intercambiador de calor encargado de suministrar la superficie de

transferencia de dicho  calor, necesaria para que la sustancia de trabajo pueda

absorber del medio a refrigerar la cantidad del mismo que necesita para producir su

evaporación.

El compresor: Dispositivo encargado de llevar la sustancia de trabajo de la presión

de evaporación a la  de condensación

El condensador: Intercambiador de calor encargado en suministrar la superficie de

transferencia en el mismo, necesario para que la sustancia pueda ceder la cantidad

de combustión que hará que dicha sustancia de trabajo se condense.

Las válvulas de expansión (control de flujo de refrigerante): Dispositivo que

permite la expansión de la sustancia de trabajo y disminuir su presión desde la

condensación hasta la evaporación.

Ciclo de Carnot Invertido (Ciclo Ideal)

El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo real de

refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar los procesos de

suministro y disipación de calor a temperatura constante para alcanzar el mayor valor

posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una máquina frigorífica con

un ciclo de compresión de vapor.

En las siguientes figuras podemos observar el esquema del equipo para el ciclo de

refrigeración por compresión de vapor y su diagrama T-S (temperatura – entropía) del ciclo

ideal.

Explicación del funcionamiento del equipo:

Dispositivos del sistema de refrigeración:

4-1: Evaporador: Se absorbe calor desde una región fría TL, de forma isotérmica

(T4 =T1), para que la transferencia de calor sea altamente efectiva es necesario que

la Temperatura de saturación del Refrigerante sea menor que la temperatura de la

región fría, es decir T1 S4, al igual que la entalpía (h1> h4), mientras que las

presiones permanecen constantes proceso isobárico (P1 = P4).

1-2: Compresor: Se comprime vapor saturado del refrigerante, disminuye el

volumen y aumenta su presión (P2 > P1) y por ende su temperatura (T2 > T1),

obteniendo finalmente vapor sobrecalentado, en un proceso isoentrópico (S1 = S2),

mientras que la entalpía de salida es mayor que la entalpía de entrada al mismo (h2

> h1).

2-3 Condensador: Se transfiere calor reversible a la región caliente TH, a través de

un proceso isobárico (P2 = P3), donde el refrigerante experimenta cambios de fase

(vapor sobrecalentado a líquido saturado), se puede observar que la T2 > T3 y que

la entropía S2 > S3 al igual que la entalpía h2 > h3.

3-4: Válvula de estrangulamiento o de expansión: Se expande el refrigerante

isoentálpicamente (h3 = h4) hasta alcanzar bajas temperaturas (T4 < T3) al

disminuir la presión (P4 < P3), mientras que la entropía aumenta (S4 < S3).

Una explicación más sencilla de este ciclo seria que el vapor saturado en el estado 1

se comprime isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante

entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el fluido se

convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja,

se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso

3-4 es una estrangulación y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de

baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja

temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se

completa el ciclo. 

Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por

unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:

q + w = hsal - hent.

La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador

planteada así: Ộevap= m (h1 - h4)

En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras

que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo

está dado por:

COPref ¿ỘevapWcomp = h1−h4

h2−h1

A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se

presentó en las figuras contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación.

Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles.

La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las toneladas de

refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseño. Una

tonelada de refrigeración se define como la rapidez de extracción de calor de la región fría

(o la rapidez de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min

o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo

volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo

del compresor.

Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor

Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura por compresión de vapor,

difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades

que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la

fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde

los alrededores. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco

en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Además el

compresor no es isoentrópico.

Influencia de las irreversibilidades en el compresor: El proceso de compresión

en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin

embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales

incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la

entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real

puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como:

ηcomp= Ws, idealWa ,real = h2 s−h1

h2 '−h1

Influencia de las irreversibilidades en el evaporador: En los ciclos ideales de

refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor

saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta

precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar

ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación

completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al

evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta

ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen

especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de

entrada al compresor, basado en el criterio de Wneto = ∫vdp

Influencia de las irreversibilidades en el condensador: En los ciclos ideales de

refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión

de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en

el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de

estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del

condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la

válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad

de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para

disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia

aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante).