Formulación y descripción ciclo de refrigeración

1. Ciclo de refrigeración por la
compresión de un vapor
Facultad de Ingeniería.
División de Ciencias Básicas
Rigel Gámez Leal

2. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Introducción
El campo de la refrigeración incluye los
refrigeradores domésticos, la congelación de
carnes, frutas y legumbres, enfriamento de
locales, fabricación de hielo, procesos
industriales y plantas criogénicas, por
mencionar sólo algunas. Para lograr esto, lo
que se hace es un proceso mediante el cual
un dispositivo retira energía de un depósito
de temperatura baja para llevarlo a un
depósito de temperatura alta, sin embargo,
de acuerdo con la segunda ley de la
termodinámica, esto es imposible de lograr a
menos que se utilice trabajo.

3. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
El éter etílico fue el primer refrigerante
utilizado para el comercio de sistemas por
compresión de vapor en 1850, le siguieron
otros como el amoniaco, dióxido de
carbono, cloruro metílico, butano, etano y
gasolina, entre otros.
Los problemas presentados como
consecuencia de las fugas de los primeros
refrigerantes que causaron lesionados y
muertos, en la década de los veinte, trajo
como consecuencia la limitación y
finalmente la prohibición del uso de los
primeros refrigerantes.

4. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En 1928, la compañía Frigidaire
Corporation, desarrolló el R-21, el primer
miembro de la familia de los refrigerantes
de clorofluorocarbonos. Después de
algunos años, esta empresa eligió al R-12
como el refrigerante más adecuado para
uso comercial y le dio a esta familia de
compuestos el nombre comercial de
“freón”. Sin embargo, los refrigerantes R-
12 y R-22 se han identificado como
contribuyentes en la degradación de la
capa de ozono y en el efecto invernadero,
por lo que los refrigerantes R-134a y R-
123 se han usado como reemplazos de
los anteriores.

5. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Descripción del ciclo
Este ciclo aprovecha la entalpia de
transformación de las sustancias al cambiar de
fase líquida a fase de vapor.
En la figura podemos ver las partes que
componen un refrigerador sencillo: el
evaporador, lo que corresponde al congelador o
hielera en un refrigerador doméstico; el
condensador-enfriador, que es un serpentín con
tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el
compresor que es un aparato cilíndrico que se
ubica normalmente en la parte inferior de
refrigerador y la válvula de expansión que es un
tubo capilar.

6. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
El diagrama que representa los cuatro elementos mencionados con
anterioridad y que conforman el ciclo es:

7. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el compresor se eleva la presión
de la sustancia que se encuentra
en su fase gaseosa y, por
consiguiente, se eleva también su
temperatura.

8. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Después de salir del compresor, la
sustancia, todavía en su fase
gaseosa, entra al condensador-
enfriador, donde rechaza calor al
medio ambiente, debido a una
diferencia de temperatura que guarda
con éste.
Debido a esta disminución de su
energía, la sustancia baja su
temperatura y después se condensa,
cambiando de fase gaseosa a la fase
líquida. En todo este proceso se
considera que la presión permanece
constante.

9. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Una vez que la sustancia en la fase
líquida sale del condensador, entra a la
válvula de expansión, produciéndole un
estrangulamiento (en el que la entalpia
a la entrada es igual a la de salida) que
baja la presión de la sustancia y
disminuye su temperatura a un valor
menor que la temperatura ambiente, en
un estado cercano al líquido saturado
correspondiente a esta presión y
temperatura.

10. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
La sustancia se ha empezado
a evaporar en la válvula de
expansión, pero se procura
que la mayor parte de la
evaporación se lleve a cabo
en el evaporador donde la
sustancia toma la energía
necesaria para su
evaporación del medio que se
desea refrigerar o enfriar. Este
proceso es a presión y
temperatura constantes.

11. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Una vez que sustancia se
ha evaporado totalmente,
entra en el compresor para
iniciar un nuevo ciclo al
comprimir el gas y llevarlo
a un estado de vapor
sobrecalentado con un
aumento en su presión y
temperatura.

12. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Flujos energéticos
asociados al ciclo:

13. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Flujos energéticos
asociados al ciclo:

14. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Flujos energéticos
asociados al ciclo:

15. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el compresor:
proceso adiabático
Procesos

16. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el condensador-enfriador:
proceso isobárico

17. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En la válvula de expansión:
proceso isoentálpico

18. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el evaporador:
proceso isobárico

19. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Dado que la eficiencia está dada por
η =
Se tiene que en el caso del refrigerador, un indicador de su
funcionamiento está dado por
β =
donde β se le conoce como coeficiente de operación o
rendimiento, el cual también se puede escribir como
β =
Balance de energía
aportarquehayquelo
deseasequelo
compresor
evaporador
W
Q
compresor
evaporador
w
q

20. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el evaporador:
{q}4-1
+ {w}4-1
= [∆ec
+ ∆ep
+ ∆h]4-1
como {w}4-1
= 0
∆ec 4-1
= 0
∆ep 4-1
= 0
entonces
{q}4-1
= ∆h4-1
= h1
– h4

21. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
En el compresor:
{q}1-2
+ {w}1-2
= [∆ec
+ ∆ep
+ ∆h]1-2
como {q}1-2
= 0
∆ec 1-2
= 0
∆ep 1-2
= 0
entonces
{w}1-2
= ∆h1-2
= h2
– h1

22. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Por lo tanto
β =
dado que, en la válvula de
estrangulamiento:
h3
= h4
podemos escribir también:
β =
12
41
hh
hh
−
−
12
31
hh
hh
−
−

23. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Dispositivo de refrigeración del laboratorio:

24. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Una unidad para medir la capacidad de enfriamiento de un
sistema de refrigeración muy utilizada en la industria es la
tonelada de refrigeración
que, en el SI, equivale aproximadamente a 3.5 [kW]

25. Ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor
Agradecimientos:
María Eugenia Macías Ríos
Martín Bárcenas Escobar
Referencias bibliográficas:
* Sears, Zemansky, Young y Freedman. “Física Universitaria”.
Addison Wesley. Undécima edición. México 2004.
* González O. R., Núñez O. F. “Apuntes de Principios de
Energética”. UNAM. Facultad de Ingeniería. México 1985.