Refrigeración por compresión de vapor

1. Universidad Fermín toro
Vicerrectorado académico
Facultad de ingeniería
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR
COMPRESIÓN DE VAPOR
Autor:
Junior Colmenares
CI: 20.929.693
Profesor:
Daniel Duque
CABUDARE

2. Los ciclos de refrigeración de vapor son máquinas térmicas inversas, debido a que
el arreglo que posee se basa en el ciclo de carnot inverso, debido a que su dirección de flujo
está en el sentido contrario de las agujas del reloj. Son ciclos en los que el calor Q va de
menor a mayor temperatura, los cuales necesitan el aporte de energía a través de los
dispositivos mecánicos que intervienen en un refrigerador, teniendo cada uno de ellos una
función principal dentro del ciclo. Estos dispositivos son:
 El evaporador: Intercambiador de calor encargado de suministrar la superficie de
transferencia de dicho calor, necesaria para que la sustancia de trabajo pueda
absorber del medio a refrigerar la cantidad del mismo que necesita para producir su
evaporación.
 El compresor: Dispositivo encargado de llevar la sustancia de trabajo de la presión
de evaporación a la de condensación
 El condensador: Intercambiador de calor encargado en suministrar la superficie de
transferencia en el mismo, necesario para que la sustancia pueda ceder la cantidad
de combustión que hará que dicha sustancia de trabajo se condense.
 Las válvulas de expansión (control de flujo de refrigerante): Dispositivo que
permite la expansión de la sustancia de trabajo y disminuir su presión desde la
condensación hasta la evaporación.
Ciclo de Carnot Invertido (Ciclo Ideal)
El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo real de
refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar los procesos de
suministro y disipación de calor a temperatura constante para alcanzar el mayor valor
posible del coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una máquina frigorífica con
un ciclo de compresión de vapor.
En las siguientes figuras podemos observar el esquema del equipo para el ciclo de
refrigeración por compresión de vapor y su diagrama T-S (temperatura – entropía) del ciclo
ideal.

4. Explicación del funcionamiento del equipo:
Dispositivos del sistema de refrigeración:
 4-1: Evaporador: Se absorbe calor desde una región fría TL, de forma isotérmica
(T4 =T1), para que la transferencia de calor sea altamente efectiva es necesario que
la Temperatura de saturación del Refrigerante sea menor que la temperatura de la
región fría, es decir T1 S4, al igual que la entalpía (h1> h4), mientras que las
presiones permanecen constantes proceso isobárico (P1 = P4).
 1-2: Compresor: Se comprime vapor saturado del refrigerante, disminuye el
volumen y aumenta su presión (P2 > P1) y por ende su temperatura (T2 > T1),
obteniendo finalmente vapor sobrecalentado, en un proceso isoentrópico (S1 = S2),
mientras que la entalpía de salida es mayor que la entalpía de entrada al mismo (h2
> h1).
 2-3 Condensador: Se transfiere calor reversible a la región caliente TH, a través de
un proceso isobárico (P2 = P3), donde el refrigerante experimenta cambios de fase
(vapor sobrecalentado a líquido saturado), se puede observar que la T2 > T3 y que
la entropía S2 > S3 al igual que la entalpía h2 > h3.
 3-4: Válvula de estrangulamiento o de expansión: Se expande el refrigerante
isoentálpicamente (h3 = h4) hasta alcanzar bajas temperaturas (T4 < T3) al
disminuir la presión (P4 < P3), mientras que la entropía aumenta (S4 < S3).
Una explicación más sencilla de este ciclo seria que el vapor saturado en el estado 1
se comprime isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante
entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el fluido se
convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja,
se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso
3-4 es una estrangulación y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de
baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja
temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se
completa el ciclo.

5. Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por
unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:
q + w = hsal - hent.
La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador
planteada así: Ộevap= m (h1 - h4)
En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras
que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo
está dado por:
COPref =
Ộevap
Wcomp
=
h1−h4
h2−h1
A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se
presentó en las figuras contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación.
Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles.
La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las toneladas de
refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseño. Una
tonelada de refrigeración se define como la rapidez de extracción de calor de la región fría
(o la rapidez de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de 211 kJ/min
o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo
volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo
del compresor.

6. Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor
Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura por compresión de vapor,
difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades
que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la
fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde
los alrededores. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco
en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Además el
compresor no es isoentrópico.
Influencia de las irreversibilidades en el compresor: El proceso de compresión
en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin
embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales

7. incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la
entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real
puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como:
ηcomp=
Ws,ideal
Wa,real
=
h2s−h1
h2′−h1
Influencia de las irreversibilidades en el evaporador: En los ciclos ideales de
refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor
saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta
precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar
ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación
completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al
evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta
ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen
especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de
entrada al compresor, basado en el criterio de Wneto = ∫vdp
Influencia de las irreversibilidades en el condensador: En los ciclos ideales de
refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión
de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en
el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de
estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del
condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la
válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad
de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para
disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia
aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante).