Ud2mef equipos de frio y calor fundamentos

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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Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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

8


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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

10


Técnico en M

ontaje y M

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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


11

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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Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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 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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ontaje y M

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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


15

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


17

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


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).

20


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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.

22


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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).

26


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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


Técnico en M

antenim

iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

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


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


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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

32


Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

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


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.

34


Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

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


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

36


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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


Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

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


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


Técnico en M

ontaje y M

antenim


ducción de Calor

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


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)


CONECTADA A LA SALIDA

DEL EVAPORADOR

44


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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

46


Técnico en M

ontaje y M

antenim


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


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).

48


Técnico en M

ontaje y M

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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


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


Técnico en M

ontaje y M

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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.


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


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

52


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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


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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ducción de Calor

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


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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ducción de Calor

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


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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ducción de Calor

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


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

60


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antenim

iento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

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 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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ducción de Calor

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


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.

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ducción de Calor

DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-22

Uni

dad Diagrama


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ducción de Calor


Uni

dad Diagrama


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DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA DEL REFRIGERANTE R-134a

Uni

dad Diagrama


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ducción de Calor


Uni

dad Diagrama


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ducción de Calor


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dad Diagrama


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Uni

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