EXTRACTO DEL LIBRO

Capítulo 1
Métodos frigoríficos
1. Introducción
La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos
mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será
necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que
esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es
esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que
deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de
calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante
para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma “forzada”
puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá
extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más
temperatura. En la Þgura 1.1 se ha representado un esquema de este proceso. Es
evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir el proceso natural y este
trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico para que sea viable de
forma práctica. En la Þgura QE representa el calor extraído a la carga, QC el calor
cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo
necesario para que funcione el sistema.
Depósito caliente
(condensador)
Qc
W
M
QE
Depósito frío
(Evaporador)
Figura 1.1 Esquema general del proceso de refrigeración
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Manual técnico de refrigerantes
Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos [4]:
Agente frigoríÞco. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o ßuido. Si
se trata de un ßuido recibe el nombre de ßuido frigoríÞco o refrigerante.
Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la deÞnición. Algunos
llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros
preÞeren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por
objetivo aprovechar el calor.
Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina
frigoríÞca en verano y calefactora en invierno.
Carga frigoríÞca. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa
continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara
o almacén frigoríÞco es la carga frigoríÞca. El calor por unidad de tiempo que
debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigoríÞca, que se
mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes
aunque relacionadas.
Máquina frigoríÞca. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración.
A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de
compresión de vapor o máquina de absorción.
Principio frigoríÞco. Este concepto hace referencia al principio fundamental de
refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.
Proceso o método frigoríÞco. Es el sistema para producir una refrigeración continua
y práctica. Puede basarse en un principio frigoríÞco o varios.
Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético.
Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta
refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los
medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo
inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la
parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa.
Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario,
por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado
previamente en el evaporador de una máquina frigoríÞca; el refrigerante de la
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Métodos frigoríficos
máquina frigoríÞca que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante
primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire
frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también
puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se
trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el
secundario.
Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigoríÞca.
Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del
local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que
entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.
2. Ciclos termodinámicos
2.1 Introducción
La forma práctica más habitual de llevar a cabo una refrigeración mecánica que
no utilice una fuente interminable de frío es mediante un dispositivo denominado
“Máquina de compresión de vapor”. Este dispositivo consta, esencialmente, de
un condensador, un evaporador, un sistema de expansión y un compresor (ver
Þgura 1.2).
El funcionamiento es muy sencillo: se absorbe calor en el evaporador y se cede
calor en el condensador. De alguna manera podemos decir que el calor viaja
desde una zona de baja temperatura (en el evaporador) hasta una zona de alta
temperatura (en el condensador). El calor sólo puede transmitirse de forma
natural desde una zona de alta temperatura hasta otra de baja temperatura, en
nuestro caso se trata de invertir el proceso por lo tanto será necesario inyectar
trabajo en el sistema. Esta operación se lleva a cabo en el compresor.
El calor absorbido por el evaporador proviene de la carga, por lo tanto ésta se
enfriará o mantendrá la baja temperatura necesaria.
El “agente” encargado de transportar el calor es el “ßuido frigoríÞco” o
“refrigerante”, aunque más adelante matizaremos alguna pequeña diferencia en
la denominación.
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Manual técnico de refrigerantes
Condensador
Válvula de
expansión
Compresor
Evaporador
a) Esquema teórico de la máquina de refrigeración de ciclo simple
Evaporador
Condensador
Válvula de
expansión
Depósito de
refrigerante
Compresor
b) Esquema más realista de la máquina de refrigeración
Figura 1.2 Esquema del circuito de refrigeración por compresión de vapor
Presión
p
Expansión
Presión condensador
Condensación
Compresión
Evaporación
Ts
Tr
Entalpía
Presión evaporador
h
Figura 1.3 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante azeotrópico
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Métodos frigoríficos
En la Þgura 1.3 se ha efectuado una representación gráÞca del proceso que
experimenta el ßuido frigoríÞco. Para entender la Þgura 1.3 haremos unas
observaciones previas. Las líneas curvas centrales representan los estados de
equilibrio de las fases líquida (la de la izquierda) y vapor (la de la derecha). La
parte comprendida entre las dos curvas corresponde a mezclas líquido vapor. De
una forma aproximada podemos suponer que la máquina de refrigeración trabaja
entre dos presiones extremas: la de ALTA que es la corresponde al condensador
y la de BAJA que es la que corresponde al evaporador. La entalpía es la variable
que expresa el contenido energético de un ßuido (el refrigerante) cuando está en
movimiento.
d: “glide” o deslizamiento
Presión
p
Presión condensador
Expansión
Condensación
Compresión
Evaporación
TL
TE
d
Ts
Tr
Entalpía
Presión evaporador
h
Figura 1.4 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico
En la Þgura 1.4 se ha representado el ciclo de compresión de vapor con un
refrigerante zeotrópico. Las isotermas son inclinadas y por lo tanto la temperatura
de saturación de la fase líquida (TL) y la de la fase vapor (TS) no son iguales. Si
llamamos TE la temperatura de la mezcla a la entrada del evaporador se llama
“glide” o deslizamiento la diferencia de temperaturas TS - TE.
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Manual técnico de refrigerantes
2.2
Coeficiente de eficiencia de una máquina de
refrigeración
La máquina frigoríÞca extrae calor de la carga y lo bombea al medio refrigerante
del condensador. La relación entre el calor extraído a la carga, QE, y la energía
E, empleada para producir la extracción de calor (en el compresor), recibe el
nombre de coeÞciente de eÞciencia o COP:
QE
COPr = -----E
Algunos utilizan otras siglas para diferenciar la eÞcacia de una máquina de
refrigeración o la eÞcacia de la misma funcionando como bomba de calor. Aquí
optaremos por utilizar el símbolo COPr para la máquina de refrigeración y COPc
para la bomba de calor.
Si llamamos QC el calor cedido por el condensador a su medio refrigerante deberá
cumplirse:
QE + E = QC
El COPc se deÞne:
QC
COPr = ---E
Resulta evidente la relación:
COPc = 1 + COPr
Hay que tener presente que las anteriores expresiones se cumplirán igualmente
si las magnitudes energéticas se expresan por unidad de tiempo, es decir, si son
potencias. Para indicar una cantidad de calor se ha venido utilizando la kcal, sin
embargo es conveniente utilizar el J (julio) o un múltiplo. La relación sería:
1 kcal = 4,187 kJ
Para la potencia la unidad que debemos emplear es el W (vatio) o un múltiplo,
preferentemente el kW. Para expresar el frío producido por unidad de tiempo se
ha utilizado la frigoría. Debemos emplear el kW. Una frigoría/hora es equivalente
a 1,163 W, por lo tanto un vatio equivale aproximadamente a 0,860 frigorías/hora.
Hay que señalar que debemos ser prudentes con la indicación de que un
COP toma éste o aquel valor. Existen diferentes clases de COP: el nominal, el
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