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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. Latemperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropía T s. Lasuperficie 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 ciclose utiliza como proceso de referencia para describir la calidad deun ciclo.

El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si se strata de un proceso de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un proceso de máquina motriz (ciclo de vapor). Los ciclos frigoríficoscirculan en el sentido contrario a las agujas del reloj y el trabajorepresentado por la superficie verde se añade al ciclo.

líquidosubenfriado

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 vaporhúmedo. A su derecha (rosa) aparece el fluido detrabajo en forma de vapor y sobrecalentado.

También el ciclo frigorífico con sus típicas transicionesde fase se puede representar en este diagrama T-s. Elproceso es muy similar al conocido proceso motriz devapor. La mayor diferencia es que el ciclo circula en elsentido contrario a las agujas del reloj. De este modo,los procesos de evaporación y condensación así comode estrangulación (expansión) y compresión (bombeo)cambian sus posiciones.

La superficie cerrada (verde) corresponde al trabajodel compresor que se añade al ciclo.

emisión de caloren la condensación

absorción de caloren la evaporación

esión altapre

potenciamotriz delcompresor

gase

oso

líqui

do

presión bajap

Ciclo frigorífico en el diagrama T-s

evaporación

vapor húmedotemperatura de ebullición

líquidosubenfriado

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 sobre pla entalpía h.

En la parte central (azul) se encuentra el área del vapor húmedo. En este caso, la temperatura corresponde a latemperatura de ebullición de la presión. El área de vapor húmedo está rodeada de curvas límite con el contenidode 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 deebullición. 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.

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REFRIGERACIÓN TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO

CONOCIMIENTOS BÁSICOS

TERMODINÁMICA DEL CICLO FRIGORÍFICO

h1 - h4COP =h2 - h1

Además, en el ciclo frigorífico real también se producen pérdidas de presión para que la evaporación y la condensaciónno 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

Tem

pera

tura

en

°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 enel diagrama log p-h corresponden a las diferencias entál-picas. En el ciclo frigorífico básico sin ramificación de loscaudales másicos, estos últimos, multiplicados por el caudalmásico del refrigerante, producen los flujos de energía o potencias del sistema ideal. Las distancias en el diagramalog 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 lapotencia útil de la instalación frigorífica. El segmento 1 – 2 es lapotencia de accionamiento empleada mediante el compresor. Elsegmento 2 – 3 corresponde a la potencia térmica emitida medianteel condensador. Es el calor residual de la instalación frigorífica.

De la relación potencia útil-potencia de accionamiento se puededeterminar el índice de rendimiento calorífico COP (Coefficient ofPerformance, coeficiente de rendimiento).

El índice de rendimiento calorífico se puede comparar con elrendimiento en una máquina motriz.

Para un buen funcionamiento, es importante la evolu-ción de la presión de vapor del fluido de trabajo. Estadebe ser gaseosa con presiones bajas y temperaturas de refrigeración deseadas, y líquida con presiones y temperaturas altas. Además los niveles de presióndeben ser controlables técnicamente.

En el diagrama, se muestra la curva de presión devapor 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 17 bares con 60°C.

Mientras que con las sustancias puras, como NH3, propano y CO2, la curva de presión de vapor estáfijada, esta se puede ajustar ampliamente con los HFCa 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 evaporacióno el suministro de energía de la condensación de unlíquido. 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) ohidrocarburos como butano o propano.

Los distintos refrigerantes se marcan con una R seguida Rde 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.