Técnico en Montaje y Mantenimientode Instalaciones de Frío,
Climatización y Producción de Calor
2Diagrama
Presión-Entalpía
FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA
Unidad
CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO
MÓDULO
Máquinas y Equipos Frigoríficos
Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR
Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS Dirección: Dirección General de Formación Profesional.
Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente.
Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda
Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera
Autor del Módulo: Javier Cueli Llera
Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias
Coordinación:
Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández
Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Laura Fernández Menéndez Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto
Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda
Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso
Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: en trámite ISBN Obra Completa: en trámite Depósito Legal: en trámite Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
3
Objetivos ............................................................................................ 4
Conocimientos ..................................................................................... 5
Introducción......................................................................................... 6
Contenidos generales............................................................................ 6
Principio de refrigeración...................................................................... 7
Diagrama de Mollier o diagrama p-h..................................................... 18
El ciclo frigorífico ................................................................................. 25
Recalentamiento y subenfriamiento ...................................................... 38
Resumen de contenidos........................................................................ 52
Autoevaluación .................................................................................... 54
Respuestas de actividades ..................................................................... 56
Respuestas de autoevaluación............................................................... 61
Diagramas de Mollier (R-22) ................................................................ 64
Diagramas de Mollier (R-134a) ............................................................ 68
Diagramas de Mollier (R-410a) ............................................................ 72
Sumario general
4
Módulo: Máquinas y EquiposFrigoríficos� �
Técnico en M
ontaje y M
antenim
iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:
� Enumerar las distintas partes o elementos que componen una instalación frigorífica,
describiendo la función que realiza cada uno de ellos, relacionándolos con el ciclo
termodinámico.
� En un supuesto práctico de un sistema frigorífico en funcionamiento y con su do-
cumentación técnica:
• Obtener datos de las variables de funcionamiento y de las características constructi-
vas del condensador y evaporador para determinar las potencias caloríficas.
• Trazar el ciclo sobre el diagrama p-h correspondiente.
Objetivos
Unida
d Diagrama Presión-Entalpía 1
5
CONCEPTOSS
• Diagrama frigorífico.
• Diagrama presión-entalpía de Mollier.
• Subenfriamiento y recalentamiento.
• Balance energético sobre el diagrama frigorífico.
PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS
• Identificación sobre un diagrama frigorífico de distintos puntos: isobaras, isotermas,
etc.
• Comparación de distintos ciclos frigoríficos con recalentamiento y subenfriamiento
para ver la influencia en el funcionamiento de la máquina.
• Trazado de distintos ciclos frigoríficos a partir de medidas reales o simuladas
• Realización de cálculos sencillos sobre diagramas frigoríficos.
Conocimientos que deberías adquirir
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iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
Contenidos generales
En la unidad anterior has aprendido cómo se transmite el calor y las propiedades básicas
de las sustancias. En ella has visto que cada sustancia, a una determinada presión, tiene
unas propiedades diferentes: temperatura, volumen específico, etc. El problema que sur-
ge ahora es cómo condensamos toda esa información.
Imagínate lo engorroso que sería encontrarte para cada valor de presión una tabla con
todas las propiedades. Se necesitaría un libro para cada sustancia. En esta unidad vere-
mos cómo se agrupan todas las propiedades en un gráfico, lo cuál es muy útil y cómodo
para realizar cálculos. Accedemos a ellos de forma visual y rápida. También vamos a
conocer mejor en qué consiste la refrigeración, que es el campo profesional al que te vas
a dedicar; y aprenderemos la utilidad de los gráficos de propiedades de refrigerantes, al
dibujar sobre ellos los ciclos de refrigeración.
Todos estos conocimientos te serán muy útiles más adelante, por ejemplo a la hora de
saber si hay una avería, midiendo valores y comparándolos con los que se deberían ob-
tener con un funcionamiento correcto.
A lo largo de esta unidad aprenderás en qué consiste un proceso frigorífico convencional
o con recalentamiento y subenfriamiento, qué es un diagrama de Mollier, cómo se puede
representar en él un ciclo y obtener valores para realizar más cálculos.
Introducción
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
7
∂Has pensado alguna vez cómo funciona la nevera? El principio es muy sim-ple: cuando hervimos agua en un recipiente absorbemos calor de una fuente de energía. ∂Por qué no utilizar este procedimiento para enfriar, por ejemplo, el aire de una habitación? Evidentemente no podríamos utilizar agua porque el agua hierve a 100 °C y el aire se encuentra a, supongamos, 25 °C. Si en vez de utilizar agua empleáramos otro líquido que pueda hervir a una temperatura igual o inferior a 25 °C, éste absorbería calor del aire y, por lo tanto, lo enfriaría.
En este capítulo explicaremos cómo se lleva a cabo el proceso de enfria-miento o refrigeración comercial.
Sistemas de refrigeración
Entendemos por refrigeraciónrefrigeraciónrefrigeraciónrefrigeración el proceso de reducir y mantener la temperatura de un es-
pacio o material por debajo de la temperatura del entorno. A veces se habla indistinta-
mente de refrigerar y climatizar, pero son conceptos diferentes.
La climatizaciónclimatizaciónclimatizaciónclimatización es el proceso de tratamiento del aire para controlar simultáneamente la
humedad, limpieza, distribución, así como la temperatura para cumplir los requisitos del
espacio climatizado. En realidad, la climatización forma parte de la refrigeración.
Vamos a estudiar a continuación cómo podemos refrigerar un espacio aplicando inicialmen-
te procedimientos elementales para llegar finalmente al proceso continuo de refrigeración.
o Refrigeración mediante agua enfriada
Supongamos que hay 1 kilogramo de agua a 0 °C en un recipiente abierto dentro de un
espacio aislado con una temperatura inicial de 25 °C. Durante cierto tiempo, el calor
fluirá desde el espacio cerrado a 25 °C al agua a 0 °C, por lo que disminuirá la tempera-
tura del entorno y aumentará la del agua, hasta que se equilibren, finalizando entonces el
proceso de transferencia de calor.
Principio de refrigeración
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ducción de Calor
Este método de refrigeración presenta algunas desventajas:desventajas:desventajas:desventajas:
� La temperatura mínima es la del agua enfriada. Este hecho sólo podría darse de for-
ma teórica ya que la cantidad de agua necesaria sería muy grande.
� La refrigeración no es continua. Para lograrlo habría que volver a enfriar el agua.
o Refrigeración mediante hielo
Supongamos ahora que en el recinto a 25 °C tenemos 1 kilogramo de hielo a 0 °C. Esta
vez la temperatura del hielo no cambia al ir absorbiendo el calor del espacio que le ro-
dea, sino que pasa de estado sólido a líquido, permaneciendo constante la temperatura,
ya que el bloque de hielo absorbe calor latente correspondiente al cambio de estado. El
proceso de refrigeración continúa hasta que todo el hielo se funde.
Si el agua continuase en la habitación, entonces el proceso de refrigeración continuaría
hasta que se igualasen las temperaturas. Ahora el agua absorbería calor sensible, ya que
estaría aumentando su temperatura.
Fig. 1: Refrigeración mediante agua.
Fig. 2: Refrigeración mediante hielo.
Espacioa 25 C0
Calor
0 C , agua, 1 kg0
Espacioa 20 C0
20 C , agua, 1 kg0
Espacioa 25 C0 Calor
0 C , hielo, 1 kg0
Drenaje
Espacioa 20 C0
0C , agua, 1kg
Sin mástransferenciasde calor
Espacioa 15 C0
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
9
Las desventajasdesventajasdesventajasdesventajas en este caso son:
� No es posible tampoco obtener bajas temperaturas.
� Es necesario reabastecer cada poco el hielo. No hay continuidad.
o Sistema de refrigeración mecánico
Estos métodos tradicionales vistos anteriormente no satisfacían las necesidades de los
usuarios. Por eso surgieron otros mecanismos más modernos como el sistema de refrige-
ración mecánico. Veremos a continuación cómo funciona y cuáles son sus elementos.
Un espacio aislado se puede refrigerar adecuadamente permitiendo que se evapore un
refrigerante en un recipiente con salida al exterior, solucionando así el problema de la
continuidad del elemento enfriador. Esto lo solventamos utilizando refrigerantes quími-
cos, de los que hablaremos en la próxima unidad.
Continuando con el ejemplo anterior, y tomando
como refrigerante el RRRR----22,22,22,22, podríamos tener un siste-
ma como el representado en la figura 3. En ella ob-
servamos un recipiente que contiene R-22 en estado
líquido, y que se encuentra en un espacio cerrado
cuya temperatura es de 25 °C. Concretamente este
refrigerante presenta la propiedad de que la tempera-
tura de saturación es de -40,8 °C a la presión atmos-
férica. Esto quiere decir que, a 25 °C, este líquido se
va a transformar en vapor, absorbiendo calor del es-
pacio que se quiere enfriar en el proceso.
Como la temperatura del líquido sigue constante durante el proceso de evaporación, la
refrigeración continúa hasta que se evapora todo el líquido. En principio, si no almace-
namos este vapor, se cede a la atmósfera.
Desde el punto de vista industrial no es posible dejar que el refrigerante se escape a la
atmósfera. Por eso los circuitos de refrigeración son cerrados, precisamente para impedir
que el vapor escape a la atmósfera y se pierda.
En un circuito de refrigeración, el recipiente en el que se evapora el refrigerante
se llama evaporador.evaporador.evaporador.evaporador.
Fig. 3: Refrigeración mediante refrigerante.
VentilaciónPresión
Atmosférica
-40,8 C0
1,03 kgf/cm abs2
Calor
Espacioa 25 C0
R22
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ducción de Calor
La temperatura a la que se evapora el refrigerante líqui-
do en el interior del evaporador puede controlarse ac-
tuando sobre la presión que el vapor ejerce sobre dicho
líquido. Esto puede hacerse, por ejemplo, colocando
una válvula manual en la salida del recipiente de refri-
gerante, tal como se muestra en la figura 4.
Ajustando esta válvula es posible controlar la presión
del vapor sobre el líquido, pudiendo vaporizar el refri-
gerante a cualquier temperatura que se encuentre com-
prendida entre la de saturación (-40,8 °C) y los 25 °C
del ambiente.
Para que haya continuidad en la evaporación del líquido en el evaporador, es necesario
suministrar refrigerante líquido continuamente al evaporador. Para ello podríamos utilizar
una válvula de flotador, tal como se muestra en la figura 5. Su función es mantener el
nivel de líquido constante, reponiendo exactamente el que se pierde por evaporación.
No es práctico ni barato, además de estar prohibido, dejar escapar el refrigerante a la at-
mósfera, por eso hemos de reutilizarlo de nuevo. Para volver a utilizar el refrigerante en el
evaporador es necesario que entre en estado líquido, y puesto que dicho equipo libera el
refrigerante en forma de vapor, obviamente debemos convertirlo en líquido antes de entrar.
Fig. 4: Válvula manual en el proceso de refrigeración.
Cilindro
Válvuladeflotador
Fig. 5: Válvula de flotador en el proceso de refrigeración.
El mecanismo utilizado para regular el flujo de refrigerante líquido hacia el
evaporador se denomina válvula de expansión.válvula de expansión.válvula de expansión.válvula de expansión.
Válvulamanual
-40,8 C / 25 C0 0
1,03 / 10,6 kgf/cm abs2
Calor
Espacioa 25 C0
R22
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
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El proceso de conversión de vapor a líquido se denomina condensación,condensación,condensación,condensación, como ya sabe-
mos. Durante este proceso necesitamos un medio de enfriamiento √generalmente será
aire o agua√ sobre el que ceder calor, y para ello es necesario que el refrigerante en esta-
do de vapor se encuentre a una temperatura superior a la del medio de enfriamiento.
Recordemos que la energía calorífica pasa del cuerpo más caliente al cuerpo más frío.
Para conseguir realizar este proceso debemos aumentar previamente la presión del refrige-
rante en estado de vapor hasta un valor tal que la temperatura de condensación sea supe-
rior a la del medio de enfriamiento (por ejemplo, en un condensador de aire suele utilizar-
se una diferencia de unos 15 K, es decir, que para una temperatura ambiente de 20 °C, la
temperatura de condensación será de 35 °C).
Una vez que hemos conseguido llevar el refrigerante en estado de vapor a una tempera-
tura superior a la del medio de enfriamiento, tiene lugar el proceso de condensación,
durante el cual el refrigerante cede calor al medio de enfriamiento.
El refrigerante que fluye del condensador ya está totalmente condensado y listo para cir-
cular por el evaporador de nuevo. Así hemos completado el ciclo de refrigeración.
Fig. 6: Condensador y compresor en el ciclo frigorífico.
El proceso que aumenta la presión y la temperatura del refrigerante, aportándo-
le calor, se denomina compresión,compresión,compresión,compresión, y tiene lugar en el compresor.compresor.compresor.compresor.
El equipo donde tiene lugar el proceso de condensación del refrigerante se
denomina cocococonnnndensador.densador.densador.densador.
Compresor
Condensador
Calor
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ducción de Calor
La máquina frigorífica de compresión
La figura siguiente muestra un esquema de una máquina frigorífica donde se puede ver el
funcionamiento de un circuito completo de refrigeración mecánica, tal como el que
hemos ido estudiando hasta ahora.
En el esquema puede verse cómo el refrigerante líquido se dirige hacia el evaporador en
cuyo interior se transforma en vapor a expensas de absorber calor del aire exterior. De
este modo se consigue enfriar el recinto, que es lo que se pretende. El caudal de refrige-
rante a dicho evaporador se controla en la válvula de expansión en función de la tempe-
ratura de salida del aparato.
El vapor pasa seguidamente por el compresor donde se eleva su presión hasta el punto en
que la temperatura de condensación sea tal que permita ceder calor al medio de refrige-
ración (en este caso aire), cediendo calor a éste y condensándose así durante su paso por
el condensador.
Una máquina frigorífica con los cuatro elementos mencionados anteriormente podría
funcionar, pero en la práctica incorporan otros dispositivos con el fin de mejorar su fun-
cionamiento. Los veremos en unidades posteriores.
Las tuberías que conectan estos dispositivos se denominan de la siguiente forma:
Fig. 7: Esquema de un circuito de refrigeración.
VÁLVULA DEEXPANSIÓN
(Control de flujo)
Ventilador
Aire de salida
Aire deentrada
Aire de entrada(medio de enfriamiento)
Aire de salida
CONDENSADOR
Ventilador
COMPRESOR
EVAPORADOR
Receptor
Líquido
Vapor
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
13
� Línea de líquido:Línea de líquido:Línea de líquido:Línea de líquido: transporta el refrigerante líquido desde el condensador a la válvu-
la de expansión.
� Línea de aspiración:Línea de aspiración:Línea de aspiración:Línea de aspiración: conduce el vapor de baja presión desde el evaporador a la en-
trada de aspiración del compresor.
� Línea de descarga:Línea de descarga:Línea de descarga:Línea de descarga: proporciona vapor de alta presión y temperatura desde la des-
carga del compresor al condensador.
Estas tres líneas pueden verse en la figura siguiente. Aunque en la figura podría dar la
impresión de que existe otra línea que une la válvula de expansión con el evaporador, en
la realidad no existe tal y como aparece en el dibujo, ya que la válvula de expansión
debe situarse tan cerca como sea posible de la entrada del evaporador.
El color en el que se han dibujado las tuberías no se ha elegido al azar. La línea línea línea línea de dede dede dede des-s-s-s-
cargacargacargacarga suele dibujarse en color rojorojorojorojo para indicar que es en dicha tubería donde se alcan-
zas las temperaturas más altas del circuito. Como veremos en el capítulo tres de esta uni-
dad, el refrigerante puede alcanzar temperaturas superiores a 60 °C.
La llllínea de aspirínea de aspirínea de aspirínea de aspiraaaaciónciónciónción se dibuja en color azulazulazulazul por ser la zona más fría del circuito, junto
con el evaporador. Las temperaturas del refrigerante en esa zona dependen de la aplica-
ción, pero pueden ser, por ejemplo, de -30 °C para una máquina de congelados a -18 °C.
La línea de líquido suele dibujarse en un color próximo al rojo, ya que la tubería se en-
contrará caliente, pero no tanto como en la línea de descarga. Para un condensador refri-
gerado por aire se puede aceptar como valor indicativo para esa tubería unos 35 - 40 °C.
Fig. 8: Líneas de una máquina frigorífica.
LÍNEA DE DESCARGA
LÍNEA DE ASPIRACIÓN
LÍNEA DE LÍQUIDOCondensador
Válvulaexpansión
Compresor
Evaporador
EL REFRIGERANTE CEDE CALORAL MEDIO DE ENFRIAMIENTO,
AIRE O AGUA
EL REFRIGERANTE ABSORBECALOR DEL MEDIO A ENFRIAR
LÍNEA DE DESCARGA
LÍNEA DE ASPIRACIÓN
LÍNEA DE LÍQUIDOCondensador
Válvulaexpansión
Compresor
Evaporador
EL REFRIGERANTE CEDE CALORAL MEDIO DE ENFRIAMIENTO,
AIRE O AGUA
EL REFRIGERANTE ABSORBECALOR DEL MEDIO A ENFRIAR
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ducción de Calor
o Lado de baja presión y lado de alta
Un sistema de refrigeración se puede dividir en dos zonas según la presión ejercida por
el refrigerante. Estas zonas quedan divididas por la válvula de expansión y el compresor:
� Lado baja presión: Lado baja presión: Lado baja presión: Lado baja presión: consta del evaporador y la línea de aspiración. La presión que
ejerce el refrigerante en estas partes es la baja presión a la que se vaporiza en el eva-
porador, y que se denomina presión de aspiración o presión de evaporación.
� Lado alLado alLado alLado alta presión: ta presión: ta presión: ta presión: consta de la línea de descarga, el condensador y la línea de lí-
quido. La presión ejercida por el refrigerante en esta parte del sistema es la alta pre-
sión a la que se condensa el refrigerante en el condensador, también llamada alta
presión, presión de condensación o presión de descarga.
Los puntos de división entre los lados de alta y baja presión del sistema son:
� La válvula de expansión, donde la presión se reduce desde la de condensación a la
del vapor.
� Las válvulas de aspiración y descarga del compresor las cuales separan el lado de
baja del lado de alta presión.
Fig. 9: Lados de baja y alta presión.
EVAPORADOR
COMPRESOR
CONDENSADOR
VÁLVULA EXPANSIÓN
Aumenta presión
Reduce presión
LADO BAJA PRESIÓN LADO ALTA PRESIÓN
Línea de descarga Línea de aspiración
Línea de líquido
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
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o Procesos en el ciclo frigorífico
El refrigerante, al circular por el sistema, pasa por una serie de procesos que en su con-
junto podemos denominar ciclo frigorífico.ciclo frigorífico.ciclo frigorífico.ciclo frigorífico. Estos procesos se denominan:
� Expansión.
� Evaporación.
� Compresión.
� Condensación.
A. Expansión
El proceso de expansión ocurre entre el condensador y el evaporador. El refrigerante lí-
quido sale del condensador a alta presión y a alta temperatura, y se dirige al evaporador
a través de la válvula de expansión. Al cruzar esta válvula, la presión del líquido se redu-
ce a la presión de evaporación, para que la temperatura de saturación del refrigerante
que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del espacio refrigerado. Una
parte del líquido se evapora al atravesar la válvula de expansión con el objetivo de bajar
la temperatura del resto de refrigerante líquido hasta la temperatura de evaporación.
B. Evaporación
En el evaporador, el líquido se evapora a presión y temperatura constantes gracias al ca-
lor latente suministrado por el medio de enfriamiento que atraviesa el evaporador. Todo
el refrigerante se evapora completamente aquí, pudiendo recalentarse al final del mismo.
C. Compresión
Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación se extrae por la línea
de aspiración desde el evaporador hasta la entrada del compresor, en cuyo interior au-
mentan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. El vapor a alta tempera-
tura y a alta presión se envía al condensador por la línea de descarga.
D. Condensación
El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde libera el calor hacia
el medio de enfriamiento (aire o agua). En la liberación de calor, el refrigerante se con-
densa y, seguidamente, disminuye su temperatura. El líquido enfriado llega a la válvula
de expansión y, una vez allí, está listo para comenzar un nuevo ciclo.
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ducción de Calor
o Funcionamiento de la máquina frigorífica
Los cuatro procesos del ciclo frigorífico se pueden representar en el diagrama Presión-
Entalpía como veremos en el próximo capítulo. Todos ellos los podemos resumir en la
figura siguiente, en donde intentamos explicar de forma intuitiva el funcionamiento de la
máquina.
El refrigerante (en este caso R-134a) entra en el evaporador a una temperatura de -10 °C,
que es inferior a la del espacio que queremos enfriar. Los ventiladores situados en el eva-
porador hacen pasar a través de éste el aire de la cámara, que se encuentra a una tempe-
ratura superior a la de evaporación, cediendo calor al refrigerante y enfriándose. El aire
frío sale del evaporador (-1 °C) mezclándose con el aire caliente del interior de la cáma-
ra. El aire caliente entra de nuevo al evaporador continuando el proceso hasta que se
alcance la temperatura deseada.
El refrigerante, al circular por el evaporador, absorbe calor latente evaporándose. La tem-
peratura del refrigerante puede aumentar, como en este caso, hasta -2 °C al final de la
línea de aspiración. Ahora tendremos vapor recalentado y el refrigerante habrá absorbido
calor sensible.
Fig. 10: Funcionamiento de una máquina frigorífica. (Danfoss)
1,0 bar
50 °C 8,5 bar
8,5 bar
25 °C
R 134a
1 °C 3 °C
3 °C
1 °C
5 °C
Compresor Condensador
Evaporador
Válvula expansión
30 °C 37 °C
-2 °C
-4 °C
2 °C 27 °C
-1 °C -10 °C
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
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El compresor comprime el refrigerante aportándole calor hasta alcanzar la presión de alta
(8,5 bar) y la temperatura de descarga (50 °C) que, como puedes ver, es muy elevada.
El refrigerante pasa ahora por el condensador donde cede calor al medio de enfriamien-
to, en este caso aire. Observa que el aire procedente del exterior se encuentra a 25 °C y,
por tanto, aumenta su temperatura al pasar por el condensador. El refrigerante se conden-
sa a una temperatura superior a la temperatura ambiente, que depende de la presión de
alta. En el ejemplo, la condensación se produce a 37 °C.
Hasta la entrada en la válvula de expansión, el refrigerante continúa cediendo calor, pero
ahora ya en estado líquido, por lo que disminuye su temperatura. La válvula de expan-
sión hace bajar la temperatura y la presión del refrigerante desde 27 °C hasta -10 °C y de
8,5 a 1 bar, repitiendo nuevamente el ciclo.
En el gráfico de la figura 11 aparece el
registro de temperaturas y presiones
obtenidas durante un periodo de 10
minutos en una máquina enfriadora de
agua para un equipo de climatización.
Puedes observar fácilmente cómo, tras
arrancar la máquina, las presiones y
temperaturas comenzaron a ≈separarse∆
hasta alcanzar los valores de régimen
permanente, momento a partir del cual
dejaron de variar.
El aumento final de la temperatura y
presión de condensación se debe a que
hemos provocado una modificación
intencionada en la marcha de la máqui-
na para ver el efecto que provoca sobre
distintos parámetros, como tendremos
ocasión de estudiar más adelante. Fig. 11: Registro de temperaturas y presiones.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
13:06 13:07 13:09 13:10 13:12 13:13 13:14 13:16
TIEMPO
PR
ES
IÓN
/TE
MP
ER
AT
UR
A
Presión evaporación
Temperatura evaporación
Presión condensación
Temperatura condensación
∑ Si tocas la tuber∑ Si tocas la tuber∑ Si tocas la tuber∑ Si tocas la tubería de descarga del compresor con la mano puedes sía de descarga del compresor con la mano puedes sía de descarga del compresor con la mano puedes sía de descarga del compresor con la mano puedes suuuufrir frir frir frir una quemadura !una quemadura !una quemadura !una quemadura !
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ducción de Calor
El funcionamiento de una máquina frigorífica es complejo, pues intervienen distintos procesos: cambios de estado del refrigerante, de la presión, de la temperatura,º El diagrama de Mollier o diagrama p-h (presión-entalpía) per-mite representar las distintas transformaciones que se producen a lo largo del ciclo, obteniendo a partir de él información valiosa sobre el estado del refrige-rante, que nos permitirá comprender el funcionamiento de la máquina e in-terpretar distintas situaciones que pueden darse, como por ejemplo averías.
El refrigerante cambia de estado a lo largo del ciclo frigorífico como hemos visto en el
capítulo anterior. Representaremos sobre el diagrama de p-h las distintas transformacio-
nes que sufre el refrigerante y obtendremos importantes conclusiones a partir del mismo.
En la figura 12 puedes ver el diagrama para el refrigerante RRRR----22222222.
Diagrama de Mollier o diagrama p-h
Fig. 12: Diagrama de Mollier para el refrigerante R-22.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
19
A pesar de que parezca que el mencionado diagrama sólo sea un procedimiento teórico
empleado para realizar distintos cálculos para una máquina frigorífica, puede resultarnos
muy útil para comprender mejor distintas situaciones que se pueden presentar en una
máquina. Así, por ejemplo, es posible deducir a partir del diagrama si el compresor ab-
sorbe refrigerante en estado líquido, si la temperatura al final de la compresión es excesi-
va, etc.
Como puedes ver, el diagrama parece muy complicado, pues existen numerosas líneas
que se cruzan entre sí y que, en un principio, no nos dicen nada. Lo primero que hare-
mos será fijarnos en los ejes del diagrama.
En el eje verticaleje verticaleje verticaleje vertical se representa la presión absoluta,presión absoluta,presión absoluta,presión absoluta, y una peculiaridad es que la escala en
la que se encuentra graduado es logarítmica. Debes prestar especial atención al utilizar
este tipo de escalas, ya que las distancias entre los distintos puntos no son iguales que en
una escala decimal. De forma genérica representamos en la figura 13 algunos puntos de
una escala logarítmica.
Observa que la distancia del 10 al 20 es la misma que la del 100 (102 = 10 x 10) al 200,
cosa que no ocurriría en una escala decimal.
Volviendo al anterior diagrama de Mollier para el R-22, del cual representamos una parte
de la escala logarítmica en la siguiente figura, puedes comprobar como la distancia del
0,9 al 1 es la misma que la del 9 al 10, o que el 5 se encuentra mucho más cerca del 10
de lo que estaría en una escala decimal que tuviese del 1 al 10 la misma longitud que la
escala logarítmica.
Fig. 13: Escala logarítmica.
Fig. 14: Detalle de escala logarítmica de presión (diagrama de Mollier).
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ducción de Calor
Para nosotros no es importante cómo se construyen este tipo de escalas, pero sí que de-
bemos prestar especial atención cuando intentemos localizar puntos en ella.
En el eje horizontaleje horizontaleje horizontaleje horizontal se representa la entalpía específicaentalpía específicaentalpía específicaentalpía específica (h), en kJ por cada kg de refrige-
rante. La entalpía podemos definirla como la cantidad total de calor contenida en el re-
frigerante en un estado determinado.
En el diagrama p-h se distinguen tres zonas bien diferenciadas que se corresponden con
distintos estados físicos del refrigerante y que quedan delimitadas por la curva de Acurva de Acurva de Acurva de Annnndrews:drews:drews:drews:
� Zona de vapor, vapor, vapor, vapor, situada a la derecha de la curva de Andrews
� Zona líquido + vapor,líquido + vapor,líquido + vapor,líquido + vapor, situada en el interior de la curva de Andrews
� Zona líquido,líquido,líquido,líquido, situada a la izquierda de la curva de Andrews
En la figura 15 se muestra el diagrama para el refrigerante R-410a, en el cual se pueden
ver estas tres zonas. Así mismo podemos ver que existe un punto crítico que coincide
con la unión de las líneas de vapor saturado y líquido saturado de la curva de Andrews y
que en algunos casos no se representa, como ocurre en este diagrama. Cuando super-
amos la presión correspondiente a ese punto, el refrigerante se evapora sin ebullición o,
dicho de otra forma, no es posible condensarlo.
ZONA VAPOR
ZONA LÍQUIDO + VAPOR
ZONA LÍQUIDO
CURVA ANDREWS
Fig. 15: Zonas del diagrama de Mollier.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
21
Líneas del diagrama de Mollier
Si te has fijado, en el diagrama anterior aparecen con distintos colores determinadas lí-
neas que tienen un significado y que nos van a permitir estudiar el comportamiento de la
máquina. En la figura 16 tienes representadas cada una de estas líneas así como su de-
nominación.
Comentaremos a continuación el significado de cada una de estas líneas, que como verás
en el capítulo siguiente, nos permitirán dibujar e interpretar las distintas transformaciones
que sufre el refrigerante durante un ciclo:
� Isobaras.Isobaras.Isobaras.Isobaras. Son líneas de presión constante, es decir, cualquier punto que elijamos
sobre una isobara tendrá la misma presión (iso = igual). Como la presión se repre-
senta en el eje vertical, las isobaras son líneas horizontales.
En la figura anterior hemos dibujado la isobara correspondiente a 3 bar.
Fig. 16: Líneas del diagrama de Mollier.
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ducción de Calor
� Isoentálpicas.Isoentálpicas.Isoentálpicas.Isoentálpicas. Son líneas de entalpía constante, es decir, cualquier punto que eli-
jamos sobre una isoentálpica tendrá la misma entalpía. Como la entalpía se repre-
senta en el eje horizontal, las isoentálpicas son líneas verticales.
En la figura anterior hemos representado la isoentálpica correspondiente a 330 kJ/kg.
� Isotermas. Isotermas. Isotermas. Isotermas. Son líneas de temperatura constante y tienen tres zonas bien diferenciadas:
• En el interior de la curva de Andrews, donde son horizontales, ya que se co-
rresponden al cambio de estado de líquido a vapor o de vapor a líquido.
• En la zona de vapor.
• En la zona de líquido, que son completamente verticales.
En la imagen aparece la isoterma correspondiente a 20 °C.
� Iséntropa. Iséntropa. Iséntropa. Iséntropa. Son líneas de entropía constante. La entropía es un concepto complica-
do, pero podemos simplificarlo como la parte de energía que no puede utilizarse
para producir trabajo. Generalmente sólo se dibujan en la región del vapor para no
complicar en exceso el diagrama.
En el diagrama aparece dibujada la línea correspondiente a 1,8 kJ/kg K.
� Isócora. Isócora. Isócora. Isócora. Son líneas de volumen específico constante (volumen por unidad de masa,
es decir, el volumen que ocupa un kg de refrigerante). Estas líneas son importantes,
ya que si el volumen específico aumenta, la cantidad de refrigerante en circulación
disminuye, puesto que la capacidad de los cilindros del compresor es limitada.
En la figura aparece resaltada la línea correspondiente a 0,06 m3/kg.
� Vapor constante (relación de vapor). Vapor constante (relación de vapor). Vapor constante (relación de vapor). Vapor constante (relación de vapor). Están situadas en el interior de la curva de
Andrews y representan la cantidad de vapor que existe en la mezcla "líqui-
do+vapor" en un punto cualquiera durante el cambio de estado.
Se ha representado la línea correspondiente a X = 0,3 ( 30 % de vapor + 70 % de
líquido).
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
23
ctiv
idad
aA continuación se muestra el diagrama p-h correspondiente al refrigerante R-22. Representa sobre dicho gráfico los puntos que se indican en la siguiente tabla y, a su vez, completa los datos que faltan en la misma.
Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, pue-
des utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.
PuntoPuntoPuntoPunto AAAA BBBB CCCC DDDD EEEE
P (bar) 8 10
T (°C) 80 -25 65 0
Entalpía (kJ/kg) 200 350 450
Entropía (kJ/kg⋅K)
Volumen específico (m3/kg) 0,1
Relación de vapor (%)
1
24
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ducción de Calor
ctiv
idad
aEl diagrama p-h que se muestra a continuación corresponde al refrigerante R-410a. Dibuja sobre este diagrama las líneas si-guientes:
• Isoterma correspondiente a -15 °C. • Isobara correspondiente a 15 bar • Iséntropa correspondiente a 1,90 kJ/kg⋅K • Isócora correspondiente a 0,035 m3/kg
Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, pue-des utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.
2
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
25
Ya sabemos qué procesos ocurren durante el ciclo de refrigeración y en qué consiste un diagrama de Mollier. Ahora será interesante saber cómo se re-presenta cada proceso que ocurre durante un ciclo en el diagrama Presión-Entalpía correspondiente al refrigerante utilizado en la instalación. Anali-zando el gráfico podremos obtener mucha información mediante sencillos cálculos. También aprenderás a dibujar un ciclo real sobre el diagrama.
Representación de un ciclo frigorífico
Para dibujar el ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h partiremos de una instalación ele-
mental como la indicada en la figura siguiente y sobre la que efectuaremos una serie de
medidas necesarias para elaborar dicho ciclo. Para ello supondremos que no existe caída
de presión ni en el lado de baja ni en el lado de alta presión. Esta situación, que sería
ideal, no resta generalidad a las conclusiones que se pueden obtener del ciclo.
El ciclo frigorífico
8 bar
2 bar; 10 °C
30 °C
Fig. 17: Instalación elemental de un ciclo frigorífico (Danfoss).
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ducción de Calor
Los datos de los que partiremos para dibujar el ciclo son los siguientes:
� PresiónPresiónPresiónPresión de baja: de baja: de baja: de baja: 2 bar
� Presión de alta:Presión de alta:Presión de alta:Presión de alta: 8 bar
� Temperatura de aspiración:Temperatura de aspiración:Temperatura de aspiración:Temperatura de aspiración: 10 °C
� Temperatura a la entrada de la válvula de expansión:Temperatura a la entrada de la válvula de expansión:Temperatura a la entrada de la válvula de expansión:Temperatura a la entrada de la válvula de expansión: 30 °C
� Refrigerante:Refrigerante:Refrigerante:Refrigerante: R-134a
Para dibujar el ciclo podemos comenzar por cualquier punto de la máquina. En este caso
comenzaremos por la línea de aspiración, aunque el procedimiento siempre es el mismo
y se basa en buscar la intersección entre dos líneas del diagrama que representen los
datos disponibles para el punto de la máquina que hubiésemos seleccionado. Los datos
que conocemos para la línea de aspiración son la presión y la temperatura.
En la aspiración del compresor hemos medido una presión de 2 bar (se supone relativa).
Sin embargo, en el gráfico vienen representadas las presiones absolutas, por lo que de-
bemos pasar la presión relativa a absoluta. Por tanto, su valor será:
pabs = prel + patm = 2 + 1 = 3 bar
Asimismo, la temperatura en ese punto es de 10 °C. Localizamos en el diagrama el punto
que tiene una presión absoluta de 3 bar y una temperatura de 10 °C. Este punto, que llama-
remos 1, se encuentra sobre la intersección de la isoterma de 10 °C y la isobara de 3 bar.
En la figura 18 podemos ver la localización de dicho punto.
Situado el punto correspondiente a la aspiración del compresor, realizaremos ahora el
proproproproceso de compresión.ceso de compresión.ceso de compresión.ceso de compresión. El proceso de compresión se supone isentrópico y a lo largo del
mismo el refrigerante aumenta su presión hasta la de descarga. Para localizar el punto
correspondiente a la descarga (punto 2) dibujamos una línea isentrópica desde el punto 1
hasta la isobara correspondiente a la presión de descarga
ISOBARA = 3 bar
ISOTERMA = 10 °C
1
Fig. 18: Localización del punto de partida para dibujar el ciclo frigorífico.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
27
La presión de descarga es de 8 bar (presión relativa), y la pasamos también a presión ab-
soluta, por lo que su valor será:
pabs = prel + patm = 8 + 1 = 9 bar
En el caso de que no coincida ninguna iséntropa con el punto 1, dibujamos nosotros una
entre las dos iséntropas más próximas a dicho punto, tal como nos ha ocurrido en este
caso (fig. 19).
Finalizada la compresión del refrigerante llega el proceso de condensación.proceso de condensación.proceso de condensación.proceso de condensación. El gas, que se
encuentra a una temperatura elevada, comienza a enfriarse en el condensador, cediendo
calor sensible y disminuyendo su temperatura hasta la que corresponda al cambio de
estado a la presión de 9 bar (35 °C aproximadamente). Como hemos supuesto que no
existen caídas de presión, este proceso se realiza sobre la isobara de 9 bar tal como se
muestra en la figura 20.
Fig. 19: Localización del punto de descarga del compresor.
Fig. 20: Localización del punto de entrada de la válvula de expansión.
ISOBARA = 9 bar 2
1
3 2
ISOTERMA = 30 °C
ISOBARA = 9 bar
35 °C = TCONDENSACIÓN
28
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Como acabamos de ver en la figura 20, el refrigerante se condensa y se enfría hasta la tempe-
ratura correspondiente a la entrada de la válvula de expansión. Este punto se localiza sobre la
isoterma correspondiente a 30 °C y la isobara de 9 bar (fíjate en los datos de los que había-
mos partido) y lo llamaremos punto 3.
Después de la condensación llega el proceso de expansión.proceso de expansión.proceso de expansión.proceso de expansión. Este proceso se supone adia-
bático, es decir, durante la expansión del refrigerante una parte de él se evapora absor-
biendo calor del resto del refrigerante que continua es estado líquido, disminuyendo de
esa forma su temperatura y presión.
La expansión se produce siguiendo una línea adiabática o isoentálpica desde el punto 3
hasta el punto 4, que coincide con la intersección de la adiabática que pasa por el punto 3
y la isobara correspondiente a la presión de evaporación (3 bar).
Finalmente nos queda el proceso dproceso dproceso dproceso de evaporación,e evaporación,e evaporación,e evaporación, que al producirse a presión constante
(recordemos que durante el cambio de estado la presión y temperatura no cambian) se
desarrollará a lo largo de la isobara correspondiente a la presión de baja desde el punto 4
hasta el punto 1.
A medida que se produce la evaporación va disminuyendo la cantidad de líquido en el
evaporador, aumentando simultáneamente la cantidad de vapor hasta que alcanzamos la
curva del vapor saturado. A partir de ese momento, la evaporación ha concluido, y si aún
es posible absorber calor, la temperatura del refrigerante comenzará a aumentar hasta
alcanzar la aspiración del compresor (punto 1).
ISOTERMA = 30 °C
ISOENTÁLPICA
ISOBARA = 9 bar
ISOBARA = 3 bar
ISOENTRÓPICA
2 3
4 1
Fig. 21: Localización del punto de entrada al evaporador.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
29
El ciclo frigorífico quedará finalmente como se indica en la figura 22.
Cálculos sobre el ciclo frigorífico
A partir del ciclo frigorífico que hemos dibujado podemos realizar algunos cálculos ele-
mentales que nos permitirán comprender determinados aspectos del funcionamiento de
la máquina:
� Balance energético.
� Coeficiente de eficiencia energética.
� Relación de compresión.
� Densidad del gas de aspiración.
Fig. 22: Representación gráfica del ciclo frigorífico.
3 2
4 1
EXPANSIÓN
CONDENSACIÓN
COMPRESIÓN
EVAPORACIÓN
30
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ducción de Calor
o Balance energético
Vamos a estudiar el intercambio de calor que tiene lugar durante todo el ciclo frigorífico.
Para ello, debemos tener en cuenta que los resultados que se obtengan son por cada kg
de refrigerante que haya disponible. Observa que en el eje de entalpía la unidad es kJ/kg.
A. Calor absorbido en el evaporador (efecto frigorífico)
El calor absorbido en el evaporador será igual a la diferencia entre el valor de entalpía
que tiene a la salida (h1) y el valor de entalpía que tenía a la entrada (h4).
Para el caso que nos ocupa resulta, aproximadamente: Qevaporador = 410 √ 240 = 170 kJ /kg
B. Calor aportado durante la compresión
El calor que absorbe el refrigerante durante la compresión será igual a la entalpía que
tiene a la salida (h2) menos la entalpía de entrada al compresor (h1).
En nuestro caso resulta aproximadamente: Qcompresor = 432 √ 410 = 22 kJ /kg
C. Calor cedido durante la condensación
Durante el proceso de condensación se cede una cantidad de calor al exterior que será
igual a la diferencia entre la entalpía a la entrada del condensador (h2) y la entalpía a la
salida del mismo (h3):
En nuestro caso nos da aproximadamente: Qcondensador = 432 √ 240 = 192 kJ /kg
Qevaporador = h1 √ h4 [kJ/kg]
Qcompresor = h2 √ h1 [kJ/kg]
Qcondensador = h2 √ h3 [kJ/kg]
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
31
D. Balance energético
Si nos fijamos en el ciclo que hemos dibujado y en el calor que en cada uno de los pro-
cesos hemos aportado o extraído del refrigerante, podemos llegar a la siguiente conclu-
sión, que se puede comprobar gráficamente en la figura siguiente:
El resultado en nuestro caso particular será: Qcondensador = 22 + 170 = 192 kJ /kg
Fig. 23: Balance energético en un ciclo frigorífico.
El calor que extraemos del refrigerante en el condensador es igual al calor que
absorbe el refrigerante en el evaporador más el que le aporta el compresor du-
rante la compresión.
Qcondensador = Qevaporador + Qcompresor
432 410 240
Q evaporador
Q compresor
Q condensador
432 410 240 432 410 240
Q evaporador
Q compresor
Q condensador
Q evaporador
Q compresor
Q evaporador
Q compresor
Q condensador
Qcondensador
Qevaporador
Qcompresor
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o Coeficiente de eficiencia energética (COP: coefficient of performance)
El coeficiente de eficiencia energética o coeficiente de rendimiento es la relación entre el
frío que produce la máquina y la energía consumida para ello.
Si se compara el calor absorbido por el refrigerante durante la evaporación con el calor
aportado al refrigerante por el compresor se observa que el calor de evaporación es mu-
cho mayor que el calor necesario para el trabajo de compresión. El COP representa
cuántas veces es mayor uno que otro.
Cuanto más elevado sea el COP, menos calor hay que aportar por el compresor, por lo
que el coste del frío que hemos producido será más pequeño.
o Relación de compresión
La relación de compresión es la relación entre la presión de condensación y la de evapo-
ración. Para este cálculo se utilizan presiones absolutas. Cuanto mayor sea la relación de
compresión, más pequeña será la cantidad de refrigerante en circulación y la capacidad.
o Densidad del gas de aspiración (kg/m3)
La densidad del gas de aspiración (kg/m3) se calcula mediante la inversa del volumen
específico (m3/kg). Durante el proceso de compresión, cuanto mayor sea la densidad del
gas absorbido en los cilindros, más elevada es la cantidad de refrigerante en circulación y
la capacidad obtenidas. Por lo tanto, cuanto menor sea el volumen específico del gas de
aspiración, mayor es la capacidad.
12
41
hh
hh
Aw
WeCOP
−
−== [adimensional]
p
p compresión de Relación
baja
alta=
V
1 aspiración de gas del Densidad =
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
33
A continuación te presentamos un gráfico resumen del ciclo frigorífico, junto con los
elementos del ciclo.
En dicho gráfico puedes apreciar lo siguiente:
� Al evaporador entra una parte de líquido y una pequeña parte de vapor (4).
� Finalizada la evaporación, el refrigerante comienza a aumentar de temperatura has-
ta alcanzar la aspiración del compresor (1).
� Finalizada la compresión, la temperatura del refrigerante ha aumentado considera-
blemente (2).
� El vapor sobrecalentado comienza a enfriarse y aparecen las primeras gotas de lí-
quido. Finalizada la condensación, el líquido continúa enfriándose hasta alcanzar
la entrada de la válvula de expansión (3).
CONDENSADOR
VÁLVULADE
EXPANSIÓN
Líquidosubenfriado
Vapor húmedo Vaporsobrecalentado
EVAPORADOR
Vapor húmedo
Condensación
Com
pres
ión
36 C°
6 C°
31 C°
111 C°
COMPRESOR
55 C°
A14
23C
D
B
Expansión
Evaporación
Vaporsobrecalentado
Fig. 24: Resumen del ciclo frigorífico visto hasta ahora.
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En la figura 25 te presentamos otra forma de ver los procesos que tienen lugar durante el
ciclo frigorífico en el evaporador y en el condensador.
Fig. 25: Procesos ocurridos durante el ciclo frigorífico.
CALOR LATENTE. EL REFRIGERANTE CAMBIA SE CONDENSA
CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE
EN ESTADO DE VAPOR LÍQUIDO CONTINÚA ENFRIÁNDOSE
CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE EN
ESTADO LÍQUIDO CONTINÚA ENFRIÁNDOSE
CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE EN ESTADO
DE VAPOR SE ENFRÍA HASTA LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN
CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE AUMENTA SU
TEMPERATURA POR ENCIMA DE LA DE EVAPORACIÓN
CALOR LATENTE. EL REFRIGERANTE CAMBIA DE ESTADO:
SE CONDENSA. ES UNA MEZCLA DE LÍQUIDO Y VAPOR
CALOR LATENTE. EL REFRIGERANTE SE EVAPORA.
HAY UNA MEZCLA DE LÍQUIDO Y VAPOR
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
35
ctiv
idad
a Dibuja el ciclo frigorífico del R-22 en su diagrama p-h, a partir de los siguientes datos:
• Temperatura de condensación: 35 °C
• Temperatura de evaporación: 5 °C
• Temperatura a la entrada de la válvula de expansión: 25 °C
• Temperatura en la aspiración del compresor: 15 °C
Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, pue-
des utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.
3
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ducción de Calor
ctiv
idad
aEn la figura siguiente está representado un ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h del refrigerante R-410a. Obtén los si-guientes valores aproximados interpretando el gráfico:
a. Temperatura de evaporación. b. Temperatura de condensación. c. Temperatura de líquido y entalpía específica en la entra-
da de la válvula de expansión. d. Presión de evaporación. e. Temperatura, entalpía específica y volumen específico
del gas de aspiración. f. Temperatura y entalpía específica del gas de descarga. g. Presión de condensación. h. Calor absorbido. i. Equivalente térmico del trabajo del compresor. j. Carga de condensación. k. Coeficiente de rendimiento. l. Relación de compresión. m. Densidad del gas de aspiración.
4
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
37
ctiv
idad
a En la máquina de la figura se han tomado las medidas que se indican. Dibuja el ciclo frigorífico y calcula el COP y la rela-ción de compresión para el refrigerante R-134a.
5
Recipiente
Válvula de expansión
Evaporador
Condensador
Compresor
6 °C 31 °C
36 °C
11 °C
38
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ducción de Calor
Hasta ahora sabemos cómo es un ciclo frigorífico simple. ∂Podríamos mejo-rarlo de alguna forma para aumentar el rendimiento? Resultaría muy caro disponer de una máquina con un rendimiento muy bajo. ∂Es posible modifi-car el ciclo para conseguir que la máquina sea más segura disminuyendo las posibilidades de avería? Hemos visto ya que los líquidos no se pueden com-primir. Si el compresor aspira líquido y lo intenta comprimirº
Veremos en este capítulo cómo se pueden conseguir estos dos objetivos modificando ligeramente el ciclo frigorífico.
Recalentamiento
El recalentamiento se puede definir como la diferencia entre la temperatura del refrige-
rante a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación.
Otra forma de definir el recalentamiento sería la cantidad de calor que aportamos al re-
frigerante después de haberse evaporado. Teniendo en cuenta esta definición, el recalen-
tamiento supone un aporte de calor sensible al refrigerante, y por tanto, supone un aaaau-u-u-u-
memememennnnto de temperatura.to de temperatura.to de temperatura.to de temperatura.
Recalentamiento y subenfriamiento
Recalentamiento = Tsalida evaporador √ Tevaporación
En la definición del recalentamiento hemos supuesto que el bulbo de la válvula
de expansión termostática se encuentra situado a la salida del evaporador. Si no
se encontrase allí deberíamos sustituir en la fórmula de recalentamiento el tér-
mino Tsalida evaporador por Tbulbo válvula expansión.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
39
En un sentido más amplio podríamos hablar del recalentamiento como:
En la imagen siguiente aparece un manifold electrónico colocado para medir el recalen-
tamiento. Este tipo de instrumento da directamente el valor del recalentamiento. Se
muestra aquí para que entiendas que, aunque parezca un concepto teórico, en la prácti-
ca se mide, ya que permite obtener conclusiones sobre el funcionamiento de la máquina.
Este medidor electrónico dispone de un conector para sonda de temperatura y dos tomas
para medir la presión de aspiración y descarga del compresor, lo que le permite medir
tanto el recalentamiento como el subenfriamiento, como veremos más adelante. En este
caso, para conocer el recalentamiento se mide, por un lado, la temperatura a la salida del
evaporador mediante la sonda, y por otro, la presión en la aspiración del compresor.
Tradicionalmente no se empleaban estos equipos
electrónicos, sino que se utilizaban manómetros de
frigorista para medir la temperatura de evapora-
ción. Aunque parezca sorprendente que con un
manómetro puedas medir temperatura; recuerda
que el manómetro de frigorista incorpora escalas de
temperatura para distintos refrigerantes, por lo que
conoces la temperatura correspondiente al cambio
de estado para una presión dada.
CONEXI‡N LADO ASPIRACI‡N
PARA MEDIR LA PRESI‡N (BP)
SONDA CONECTADA A LA
SALIDA DEL EVAPORADOR
Fig. 26: Instrumento electrónico para medición del recalentamiento.
Recalentamiento = Taspiración √ Tevaporación
Fig. 27: Manómetro de frigorista.
40
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El manómetro de la figura 27 se encontraba colocado en una máquina en el momento de
realizar la fotografía. ∂Se te ocurre algún comentario a la vista del mismo?
Los valores del recalentamiento en una máquina frigorífica varían según el tipo de válvu-
la de expansión utilizada y el ajuste de la misma, pero podemos decir que aproximada-
mente el recalentamiento se encontrará entre unos 4 4 4 4 yyyy 7 K 7 K 7 K 7 K.... En el caso de emplear válvu-
las electrónicas, estos valores pueden reducirse a 2 y 3 K.
o Medida del recalentamiento
Para calcular el recalentamiento, basándonos en su definición, necesitamos conocer dos
temperaturas: la temperatura del refrigerante a la salida del evaporador y la temperatura
de evaporación. En el apartado anterior hemos visto un tipo de instrumento eléctrónico
empleado para conocer el valor del recalentamiento, aunque su elevado precio hace que
se sigan utilizando los instrumentos tradicionales, como son los termómetros y sondas de
temperatura y los manómetros de frigorista.
Para la medida del recalentamiento existen dos métodos:
� Método Presión -Temperatura.
� Método de las dos temperaturas.
A. Método Presión-Temperatura
Este método consiste en medir en el lado de alta presión, por un lado, la presión de asppresión de asppresión de asppresión de aspi-i-i-i-
ración del compresorración del compresorración del compresorración del compresor (baja presión), y por otro, la temperatura a la salida del evaporador.temperatura a la salida del evaporador.temperatura a la salida del evaporador.temperatura a la salida del evaporador.
Si utilizamos un manómetro de frigorista para medir la presión de aspiración, lo coloca-
mos a la salida del evaporador (junto al bulbo de la válvula de expansión). Esta presión
nos permite determinar la temperatura de evaporación, tal como hemos indicado ante-
riormente al emplear este tipo de manómetros. Por otro lado, la temperatura a la salida
del evaporador la podemos medir directamente con un termómetro.
Una vez obtenidas las dos temperaturas, se calcula el recalentamiento con la fórmula
indicada anteriormente.
En el supuesto de que en tubería de aspiración existiese una caída de presión,
deberíamos añadir a la presión del manómetro la caída de presión para conocer
la temperatura de evaporación.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
41
En el caso de utilizar el manifold electrónico visto anteriormente para medir el recalen-
tamiento, colocaríamos la sonda de temperatura a la salida del evaporador, y la conexión
de presión en el lado de aspiración del compresor, tal como se ve en la figura 28.
En la siguiente figura aparece la información técnica que a este respecto aparece en las
válvulas de expansión termostáticas de la firma Danfoss con el objetivo de ajustar correc-
tamente el recalentamiento. Te damos esta información para que veas otra vez la impor-
tancia práctica del recalentamiento.
Podemos ver en la figura dónde se toma la
temperatura a la salida del evaporador (t1) y
dónde se toma la presión (pS) en la misma
zona, que corresponde a la línea de aspira-
ción del compresor (recuerda que la presión
es la misma en cualquier parte de la zona de
aspiración). En función de esta temperatura se
ajustará el caudal en la válvula de expansión.
Fig. 28: Medición del recalentamiento mediante equipo electrónico.
CONEXI‡N PARA MEDIR
LA PRESI‡N EN EL LADO DE
ASPIRACI‡N DEL COMPRESOR
(ALTA PRESI‡N)
SONDA DE TEMPERATURA CONECTADA
A LA SALIDA DEL EVAPORADOR
DETALLE DE LA SONDA
Y DEL CONECTOR
Fig. 29: Medición y ajuste del recalentamiento.
42
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B. Método de las dos temperaturas
Con este método se miden directamente las dos temperaturas implicadas en la definición
de recalentamiento: por un lado, la temperatura de evaporación,temperatura de evaporación,temperatura de evaporación,temperatura de evaporación, y por otro, la tempertempertempertempera-a-a-a-
tura de salida del evaporador.tura de salida del evaporador.tura de salida del evaporador.tura de salida del evaporador.
En el caso de la temperatura de evaporación, se coloca un sensor de temperatura a la
salida de la válvula de expansión (entrada del evaporador) o, si fuese posible, sobre la
propia tubería del evaporador, asegurándose de no colocarlo en un punto donde ya se
hubiese evaporado todo el refrigerante.
La temperatura a la salida del evaporador se mide igual que en el caso anterior. Una vez
conocidas las dos temperaturas calculamos su diferencia y obtenemos el resultado del
recalentamiento.
ctiv
idad
aEn una instalación se han efectuado las siguientes medidas:
• Temperatura a la salida del evaporador: 10 °C
• Presión de aspiración: 2 bar
Determinar el valor del recalentamiento sabiendo que el refri-gerante es R-134a.
6
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
43
En la imagen aparecen los lugares donde colocaríamos las sondas de temperatura en el
supuesto de que la medida se efectuase con este tipo de instrumento. Hay que advertir
que sólo indicamos los lugares donde colocaríamos las sondas pero que las imágenes no
se corresponden con una medida real, ya que las fotografías corresponden a dos válvulas
de expansión distintas, sin que por ello se pierda generalidad.
o ¿Dónde se produce recalentamiento?
El recalentamiento puede producirse en cualquiera de los dos puntos siguientes:
� Dentro del evaporador.
� En la tubería de aspiración del compresor.
En el supuesto de que se produzca dentro del evaporador, podemos decir que el recalen-
tamiento produce frío útil, ya que absorberá calor del espacio que se va a refrigerar. En
este caso, el refrigerante se evaporará antes de alcanzar el final del evaporador y conti-
nuará absorbiendo calor, aumentando así su temperatura.
Fig. 30: Medición de las dos temperaturas.
VŸLVULAS DE EXPANSI‡N
SONDA DE TEMPERATURA
CONECTADA A LA SALIDA DE
LA VŸLVULA DE EXPANSI‡N
(Temperatura de evaporación)
SONDA DE TEMPERATURA
CONECTADA A LA SALIDA
DEL EVAPORADOR
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ontaje y M
antenim
iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
En la figura siguiente podemos ver el recalentamiento en el evaporador, que corresponde
al tramo comprendido entre los puntos C y C' en el esquema del ciclo frigorífico.
En el caso de que el recalentamiento se genere en la tubería de aspiración, el aumento de
temperatura del refrigerante no se produce como consecuencia de una disminución de la
temperatura del espacio que se quiere refrigerar, sino que el calor se absorbe del medio
en el que se encuentra instalada la mencionada tubería.
Debemos tener en cuenta que por la tubería de aspiración el refrigerante puede circular a
temperaturas muy bajas y, por tanto, inferiores a la temperatura ambiente, por lo que
absorberá calor del aire que rodea dicha tubería.
Fig. 31: Recalentamiento producido dentro del evaporador (Danfoss).
RECALENTAMIENTO PRODUCIDO
EN EL EVAPORADOR
Fig. 32: Recalentamiento producido en la tubería de aspiración.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
45
o Métodos para conseguir recalentamiento
El recalentamiento se puede conseguir colocando un inteinteinteinterrrrcambiador de calorcambiador de calorcambiador de calorcambiador de calor entre la
línea de líquido y la de aspiración del compresor, tal como aparece en la figura siguiente.
El intercambiador de calor no es mas que ≈un tubo dentro de otro tubo∆ tal como apare-
ce en la imagen. El refrigerante en estado gaseoso pasa por el tubo central en dirección
contraria al líquido para mejorar el intercambio de calor.
El tubo central corrugado aumenta la
transferencia de calor entre el refrige-
rante procedente de la línea de líquido
y el del evaporador.
Por tanto, a la salida del evaporador,
el refrigerante en estado gaseoso es
conducido a través del tubo central
del mencionado intercambiador de
calor donde aumenta su temperatura,
produciéndose recalentamiento.
En la figura 35 podemos ver el efecto producido sobre el ciclo frigorífico del intercam-
biador de calor. Se ha exagerado el efecto del intercambiador de calor para verlo mejor.
Como veremos más adelante, también influye en el subenfriamiento.
Fig. 33: Máquina frigorífica con intercambiador de calor.
Fig. 34: Intercambiador de calor e instalación en una máquina.
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Válvula de expansión
Evaporador
Intercambiador de calor
Compresor
Condensador
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ducción de Calor
En la figura se puede ver que, con el intercambiador de calor, la temperatura alcanzada a
la salida del evaporador (punto 1) es de 30 °C, mientras que sin el intercambiador la
temperatura es de -10 °C. Por tanto, el recalentamiento conseguido es:
Recalentamiento = 30 - (-10) = 40 °C = 40 K
o Ventajas e inconvenientes del recalentamiento
El recalentamiento ofrece una serie de ventajas en el desarrollo del ciclo frigorífico, aun-
que también presenta algunos inconvenientes como veremos a continuación.
Entre las principales ventajasventajasventajasventajas se encuentran las siguientes:
� Aumento de la capacidad frigorífica si el recalentamiento se produce en el interior
del evaporador. Recordemos que la capacidad frigorífica viene dada por la diferen-
cia h1 √ h4 y que, al desplazarse hacia la derecha el punto 1 (aspiración del com-
presor), aumenta la entalpía de dicho punto y, por tanto, la capacidad frigorífica.
Fig. 35: Efecto del intercambiador de calor sobre el ciclo frigorífico.
1
245
6 1
2
5
EFECTO PRODUCIDO POR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR COLOCADO ENTRE LA LÍNEA DE LÍQUIDO
Y LA DE ASPIRACIÓN.
SE HA GENERADO UN SUBENFRIAMIENTO DE 25 K Y UN RECALENTAMIENTO DE 40 K. LOS VALORES SON MUY GRANDES PERO SÓLO TIENE COMO FUNCIÓN VER EL EFECTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
47
� La existencia de recalentamiento asegura que al compresor no llegue refrigerante
en estado líquido. En el caso de que llegase refrigerante líquido al compresor, al in-
tentar comprimirlo, podría generarse un aumento de presión (golpe de líquido) que
en algunos casos llegaría a deteriorar algunas de las partes del mismo.
En la imagen puede verse el plato
de válvulas y una parte del cigüe-
ñal deteriorado como consecuen-
cia de un golpe de líquido.
Los inconvenientesinconvenientesinconvenientesinconvenientes serían:
� Disminución de la densidad del gas de aspiración como consecuencia del aumento
del volumen, por lo que la cantidad de gas en circulación será menor y, por tanto,
también disminuye la capacidad frigorífica.
� Aumento ligero del trabajo de compresión.
� Aumento de la temperatura al final de la compresión, lo que puede provocar un
deterioro en el aceite lubrificante al disminuir su viscosidad.
En la imagen aparece el estator de
un compresor semihermético daña-
do como consecuencia del roce
con el rotor. El rotor terminó ro-
zando con el estator debido a una
lubricación incorrecta provocada
por un recalentamiento excesivo.
Fig. 37: Estator de compresor dañado (Copeland).
Fig. 36: Partes del compresor deterioradas (Copeland).
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ducción de Calor
En la figura siguiente aparece un ciclo frigorífico con recalentamiento y otro sin él,
manteniendo en ambos casos las temperaturas de condensación y evaporación. Pue-
des comprobar cómo se han producido todos los fenómenos que hemos comentado
anteriormente.
Subenfriamiento
El subenfriamiento es otro método para mejorar la eficacia del ciclo frigorífico. Podemos
definir el subenfriamiento como la diferencia entre la temperatura a la entrada de la vál-
vula de expansión y la temperatura de condensación:
Subenfriamiento = Tentrada válvula expansión √ Tcondensación
CONDENSACIÓN
EVAPORACIÓN
70 ºC
20 ºC-10 ºC
40 ºC
RECALENTAMIENTO = 30 K
∆T FINAL COMPRESIÓN = 30 K
EX
PA
NS
IÓN
CO
MP
RE
SIÓ
N
0,1 m3/ kg
0,12 m3/ kg
∆ VOLUMEN ESPECÍFICO = 0,02
EVAPORACIÓN
CONDENSACIÓN
ASPIRACIÓN EN
ZONA VAPOR
Fig. 38: Ciclos frigoríficos con recalentamiento y sin recalentamiento.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
49
El subenfriamiento lo que provoca es una disminución de la temperatura a la entrada de
la válvula de expansión, lo que hace que, al expansionarse el refrigerante, la cantidad
que se evapora disminuya, resultando que al evaporador llega una cantidad de líquido
mayor, por lo que tiene más capacidad de absorber calor.
Recuerda que con calor latente (cambio de estado) existe más capacidad de absorber
calor que con calor sensible. Podemos ver en la figura siguiente cómo afecta el suben-
friamiento al ciclo frigorífico.
El grado de subenfriamiento dependerá del tipo de instalación y del dispositivo utilizado
para conseguirlo.
400
40 ºC20 ºC
255228
∆ CALOR ABSORBIDO EVAPORADOR = 255 – 228 = 27 kJ/kg0,15 0,28
∆ RELACIÓN DE VAPOR = 28 – 15 = 13 % SE HA EVAPORADO UN13% MENOS DE LÍQUIDO DURANTE LA EXPANSIÓN.
SIN SUBENFRIAMIENTOQEVAPORADOR = 400 – 255 = 145 kJ/kg
CON SUBENFRIAMIENTOQEVAPORADOR = 400 – 228 = 172 kJ/kg
SUBENFRIAMIENTO = 40 – 20 = 20 K
EX
PA
NS
IÓN
CONDENSACIÓN
EVAPORACIÓN
CO
MP
RE
SIÓ
N
Fig. 39: Ciclo frigorífico con subenfriamiento.
50
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ducción de Calor
o Medida del subenfriamiento
Para medir el subenfriamiento se procede de forma similar a como se hizo con el reca-
lentamiento, pero ahora en el lado de alta presión,lado de alta presión,lado de alta presión,lado de alta presión, tal como se muestra en la imagen de
la figura que se muestra a continuación.
En la figura 40 se muestra la medición, por un lado, de la temperatura del refrigerante a
la entrada de la válvula de expansión, y por otro, la presión en el lado de descarga del
compresor. Con dicha presión se puede conocer la temperatura de condensación.
o ¿Dónde se produce subenfriamiento?
El subenfriamiento puede producirse en el propio condensadorpropio condensadorpropio condensadorpropio condensador o en la línea de líquidolínea de líquidolínea de líquidolínea de líquido
(tubería que va desde el condensador a la válvula de expansión). Algunas instalaciones
disponen de un dispositivo para subenfriar el refrigerante a la salida del condensador.
El intercambiador de calor que hemos comentado para el caso del recalentamiento tam-
bién contribuye a subenfriar el refrigerante que sale del condensador, tal como puede
verse en la figura mostrada anteriormente. Fíjate cómo ha disminuido la temperatura del
refrigerante en la línea de líquido tras pasar por el intercambiador de calor.
Otra posibilidad para conseguir subenfriamiento consiste en sobredimensionar el cosobredimensionar el cosobredimensionar el cosobredimensionar el con-n-n-n-
densador.densador.densador.densador. De esta forma, el subenfriamiento se logra en el propio condensador.
Fig. 40: Medición del subenfriamiento mediante equipo electrónico.
SONDA DE TEMPERATURA
CONECTADA A LA ENTRADA DE
LA VŸLVULA DE EXPANSI‡N
CONEXI‡N PARA MEDIR
LA PRESI‡N EN EL LADO DE
DESCARGA DEL COMPRESOR
(ALTA PRESI‡N)
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
51
ctiv
idad
aEn una máquina frigorífica las tuberías suelen ir aisladas, pero no todas. Si observas la fotografía del intercambiador de calor podrás darte cuenta de ello.
∂Sabrías identificar la línea de líquido y la de aspiración? ∂Por qué una va aislada y la otra no?
7
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ducción de Calor
Resumen
Refrigeración
Evaporación
Compresión
Condensación
Expansión
Línea de baja presión
Línea de alta presión
Línea de descarga
Lado de baja presión
Consiste en extraer calor de un ambiente para reducir su
temperatura. Dentro del proceso de refrigeración se en-
marca la climatizaciónclimatizaciónclimatizaciónclimatización,,,, que consiste en dar a un espacio
cerrado las condiciones de temperatura, humedad del aire,
y a veces también de presión, necesarias para la salud o la
comodidad de quienes lo ocupan.
Ocurre en el evaporador. En el evaporador, el líquido se
evapora a presión y temperatura constantes gracias al calor
latente suministrado por el medio de enfriamiento que
atraviesa el evaporador.
El vapor resultante de la evaporación se aspira por la línea
de aspiración desde el evaporador hasta la entrada del
compresor, en cuyo interior aumentan considerablemente
la presión y la temperatura del vapor. El vapor a alta tem-
peratura y a alta presión se envía al condensador por la
línea de descarga.
El refrigerante libera el calor absorbido durante la evapora-
ción y compresión, hacia el medio de enfriamiento (aire
y/o agua). En la liberación de calor, el refrigerante se con-
densa y disminuye su temperatura.
La presión del refrigerante líquido condensado se reduce
mediante la válvula de expansión a la presión de evapora-
ción requerida.
Conecta el condensador con la válvula de expansión.
Va desde el evaporador hasta el compresor.
Va desde el compresor hasta el condensador.
Consta del evaporador y la línea de aspiración. La presión
que ejerce el refrigerante en estas partes es la baja presión
a la que se vaporiza en el evaporador, y que se denomina
presión de aspiración o presión de evaporación.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
53
Lado de alta presión
Zonas del diagrama p-h
(diagrama de Mollier)
Líneas del diagrama p-h
Cálculos del ciclo
frigorífico
Recalentamiento
Subenfriamiento
Consta de la línea de descarga, el condensador y la línea
de líquido. La presión ejercida por el refrigerante en esta
parte del sistema es la alta presión a la que se condensa
el refrigerante en el condensador, también llamada alta
presión, presión de condensación o presión de descarga.
Se distinguen la zona de vapor, a la derecha de la curva
de Andrews, la zona de líquido y vapor, en el interior de
la curva de Andrews, y la zona de líquido, a la izquierda
de la curva de Andrews.
Se encuentran representadas cinco tipos de líneas: iso-
baras, isoentálpicas, isotermas, isentropas e isocoras.
Efecto de refrigeración: We (kJ/kg) = h1 - h4
Equivalente térmico del trabajo del compresor:
Aw (kJ/kg) = h2 - h1
Carga de condensación: Wc (kJ/kg) = h2 √ h3
Coeficiente de rendimiento: 12
41
h - h
h - h
AwWe
COP ==
Relación de compresión: p
p RC
baja
alta=
Densidad del gas de aspiración: /kg)(m V
1 )(kg/m d
33=
Diferencia entre la temperatura a la salida del evapora-
dor y la temperatura de evaporación. La existencia de
recalentamiento asegura que no llegue líquido al com-
presor, pero un exceso del mismo genera una tempera-
tura excesiva al final de la compresión, lo que puede
provocar problemas de lubricación.
Diferencia entre la temperatura de condensación y la
temperatura a la entrada de la válvula de expansión.
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Autoevaluación
1. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
VVVV FFFF
a. Un aumento del recalentamiento provoca un aumento en la temperatura al final de la compresión.
� �
b. La tubería de aspiración no se aísla, ya que de esa forma el refrigerante puede continuar absorbiendo calor.
� �
c. La presencia de subenfriamiento asegura que se ha conden-sado todo el refrigerante.
� �
d. La relación de compresión es el cociente entre las presiones de alta y de baja expresadas en términos de presión relativa.
� �
e. La temperatura de condensación es inferior a la del medio de enfriamiento.
� �
f. El recalentamiento es la diferencia entre la temperatura a la salida del evaporador y la entrada de la válvula de expansión.
� �
g. Una isoterma es una línea que representa puntos con la mis-ma presión.
� �
h. Durante el proceso de expansión una parte del refrigerante se evapora.
� �
i. Cuanto menor sea la cantidad de refrigerante evaporado du-rante la expansión mayor será el efecto frigorífico.
� �
j. Cuanto mayor sea el COP de una máquina frigorífica mas ba-rato es el frío producido.
� �
k. Un recalentamiento excesivo puede provocar problemas en la lubricación del compresor.
� �
2. Utilizando el ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h (por ejemplo, del R-134a),
demuestra que al aumentar la relación de compresión aumenta el coste del frío producido. Para ello, vamos a suponer que tiene la misma temperatura de evapo-ración, que no existe subenfriamiento y que el recalentamiento se mantiene constante.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
55
3. Antonio López, frigorista de reconocido prestigio, comprueba que el manómetro de baja mide 1,5 bar y que la temperatura de aspiración es de -15 °C. ∂Llegará refrige-rante líquido al compresor si la máquina lleva como refrigerante R-410a?
4. Calcula la relación de compresión de una máquina que trabaja con R-134a con
unas temperaturas de evaporación y condensación de -10 °C y 39 °C. ∂Qué ocurri-ría si por error empleas las presiones que no debes en el cálculo? (Nos referimos a utilizar presiones absolutas o relativas).
5. Dibuja una máquina frigorífica elemental y señala sobre ella el punto más caliente
y el más frío. Puedes hacerlo sobre la máquina de la pregunta siguiente. 6. En la figura aparece un esquema de una máquina frigorífica (Sporlan Valve Company).
Señala cuáles son las siguientes líneas:
a. La línea de líquido.
b. La línea de aspiración.
c. La línea de descarga.
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Respuestas Actividades
1. Los puntos que deberías haber señalado en el diagrama del R-22 son los siguientes:
A
B
C
D
E
A continuación, con ayuda del diagrama completamos los valores que faltaban en la tabla:
PuntoPuntoPuntoPunto AAAA BBBB CCCC DDDD EEEE
P (bar) 8888 10101010 1,8 5 2,5
T (°C) 80808080 25 ----25252525 65656565 0
Entalpía (kJ/kg) 460 200200200200 350350350350 454545450000 410
Entropía (kJ/kg⋅K) 1,90 1 1,62 1,90 1,83
Volumen específico (m3/kg) 0,040 <0,02 0,1 0,06 0,10,10,10,1
Relación de vapor (%) 100 0 0,8 100 100
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
57
2. Las líneas se representan como se muestra en el siguiente esquema:
ISOBARA
ISOTERMA
ISENTRÓPICA
ISOCORA
ISOBARA
ISOTERMA
ISENTRÓPICA
ISOCORA
3. El ciclo del R-22 para los valores indicados quedaría como sigue:
58
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4. En primer lugar recogemos en la siguiente tabla los valores que se pueden obtener directamente del diagrama p-h:
Punto p
[bar] t
[°C] v
[dm3/kg] h
[kJ/kg] s
[kJ/kg”K] x
1 5,72 -3,00 47,68 424,21 1,8530
2 21,31 62,64 14,35 462,45 1,8530
3 21,31 62,64 14,35 462,45 1,8530
4 21,31 19,88 0,92 231,08 1,1068
5 5,72 -10,07 9,71 231,08 1,1199 0,198
6 5,72 -3,00 47,68 424,21 1,8530
A continuación, apoyándonos en el siguiente gráfico de una máquina frigorífica, calculamos los valores que nos faltan:
Calor absorbido:Calor absorbido:Calor absorbido:Calor absorbido: Qevaporador = h6 √ h5 = 424 √ 231 = 193 kJ/kg Trabajo compresor:Trabajo compresor:Trabajo compresor:Trabajo compresor: Wcompresor = h2 √ h1 = 38 kJ/kg
Carga condensador:Carga condensador:Carga condensador:Carga condensador: Q condensador = h3 √ h4 = 193 + 38 = 231 kJ/kg
Coeficiente deCoeficiente deCoeficiente deCoeficiente de eficiencia energética: eficiencia energética: eficiencia energética: eficiencia energética: COP = We / Aw = 193 / 38 = 5,07
Relación de compresión:Relación de compresión:Relación de compresión:Relación de compresión: RC = p2 / p1 = 21,31 / 5,72 = 3,72
Densidad de aspiración:Densidad de aspiración:Densidad de aspiración:Densidad de aspiración: d = 1 / V = 1 / 47,68 = 0,021 kg/m3
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
59
5. Con los datos del ejercicio dibujamos el ciclo frigorífico y obtenemos los datos del sistema que recogemos en la tabla siguiente y que nos permitirán seguidamente calcular el COP y la Relación de Compresión:
Punto p
[bar] t
[°C] v
[dm3/kg] h
[kJ/kg] s
[kJ/kg”K] x
1 3,62 11,00 57,91 406,48 1,7397
2 9,12 44,06 23,58 426,18 1,7397
4 9,12 31,00 0,85 243,27 1,1476
5 3,62 6,00 10,87 243,27 1,1550 0,181
1
2 4
5
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6. Sabemos que el recalentamiento es:
Recalentamiento = Tsalida evaporador - Tevaporación
El valor de la temperatura de evaporación lo obtenemos en función de la presión de aspiración conocida. La presión de aspiración es de 2 bar, que se supone relativa, luego:
paspiración absoluta = 2 + 1 = 3 bar.
Consultando el diagrama p-h del R-134a nos da una temperatura de evaporación de 0 °C, resultando finalmente:
Recalentamiento = 10 √ 0 = 10 K
7. La tubería que se aísla es la de aspiración para evitar aumentos excesivos del reca-lentamiento, mientras que la línea de líquido no se aísla, ya que si el refrigerante
continúa cediendo calor aumentará el subenfriamiento. Por lo tanto, las identifi-camos de la siguiente manera:
LÍNEA DE ASPIRACIÓN
LÍNEA DE LÍQUIDO
Unida
d Diagrama Presión-Entalpía 1
61
Respuestas Autoevaluación
1. Las respuestas correctas son las siguientes:
a. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera.
b. Falsa: Falsa: Falsa: Falsa: la tubería de aspiración sí se aísla, para evitar excesivos aumentos del re-calentamiento.
c. Verdadera. Verdadera. Verdadera. Verdadera.
d. Falsa: Falsa: Falsa: Falsa: la relación de compresión es el cociente entre las presiones de alta y de baja, pero expresadas en términos de presión absoluta.
e. FalsaFalsaFalsaFalsa:::: la temperatura de condensación debe ser superior a la del medio de en-friamiento con el fin de que el refrigerante en estado vapor pueda ceder calor a este último.
f. FalsaFalsaFalsaFalsa:::: el recalentamiento es la diferencia entre la temperatura de salida del evaporador y la temperatura de evaporación.
g. Falsa:Falsa:Falsa:Falsa: una isoterma es una línea de temperatura constante.
h. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera.
i. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera.
j. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera.
k. Verdadera.Verdadera.Verdadera.Verdadera.
2. La representación sería la siguiente:
? TRABAJO COMPRESOR ∆∆∆∆ TRABAJO COMPRESOR
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3. Como la presión obtenida con el manómetro (1,5 bar) es relativa, calculamos la presión de aspiración absoluta:
pabs = 1,5 + 1 = 2,5 bar
Según el diagrama p-h del refrigerante R-410a, a la presión de 2,5 bar le corres-ponde una temperatura de saturación de -23 °C. Como la temperatura de aspira-ción es -15 °C, el vapor está recalentado y, por tanto, no llegaráno llegaráno llegaráno llegará refrigerante líqui-do al compresor.
4. La relación de compresión es el cociente entre la presión de alta y la presión de
baja, ambas absolutas. Consultando la tabla correspondiente o el diagrama p-h del R-134a obtenemos las presiones de baja y alta correspondientes a las temperaturas de evaporación y condensación:
pabs. alta = 10 bar; pabs. baja = 2 bar
Luego la relación de compresión resulta:
5 2
10
p
p RC
baja abs.
alta abs.===
Si hubiésemos utilizado presiones relativas, por error, resultaría:
prel. alta = 9 bar; prel. baja = 1bar
Luego:
9 1
9
p
p RC
baja rel.
alta rel.===
Como puedes comprobar, se cometería un error muy grande si empleamos presio-nes relativas, ya que la diferencia entre la presión absoluta y relativa de baja es muy grande, en este caso el doble.doble.doble.doble.
5. En una máquina frigorífica el punto más caliente es la descarga del compresor y el
más frío la salida de la válvula de expansión, o si se quiere, toda la zona del eva-porador antes de que se produzca recalentamiento, en el caso de que exista.
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
63
6. En el esquema de la máquina frigorífica de la figura tenemos que:
a. Línea de líquido:Línea de líquido:Línea de líquido:Línea de líquido: desde condensador hasta la válvula de expansión.
b. Línea de aspiración:Línea de aspiración:Línea de aspiración:Línea de aspiración: desde el evaporador hasta el compresor.
c. Línea de descarga:Línea de descarga:Línea de descarga:Línea de descarga: desde el compresor hasta el condensador.
Puedes observar en la figura que la primera se ha dibujado en color verde, la se-gunda en azul y la tercera en rojo.
64
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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-22
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
65
DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-22
66
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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-22
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
67
DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-22
68
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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-134a
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
69
DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-134a
70
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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-134a
Uni
dad Diagrama
Presión-Entalpía 1
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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-134a
72
Módulo: Máquinas y EquiposFrigoríficos� �
Técnico en M
ontaje y M
antenim
iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-410a
Uni
dad Diagrama
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Módulo: Máquinas y EquiposFrigoríficos� �
Técnico en M
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antenim
iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Pro
ducción de Calor
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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalacionesde Frío, Climatización y Producción de Calor
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