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Máquinas frigoríficas y bombas de calor
Se puede considerar una máquina frigorífica como una máquina térmica inversa al
motor.
La máquina produce una potencia refrigeradora enfriando el foco frío y cediendo el calor
al entorno (foco caliente), para lo cual necesita de trabajo.
El coeficiente de eficiencia de la máquina vendrá dado por el cociente entre la energía
en forma de calor que se obtiene del foco frío entre el trabajo invertido.
Q F
 
W
Es la relación entre la potencia refrigerada y la potencia empleada
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Máquinas frigoríficas y bombas de calor
El coeficiente de eficiencia de una máquina frigorífica será máximo cuando todos los
procesos son reversibles (internos y externos). Es decir, un ciclo de carnot de
refrigeración:

Q
T
rev   e  F
Wrev TC  TF
En este caso, la generación neta de entropía es
cero, de modo que se puede establecer una
relación entre las energías intercambiadas
S  0  SMT  SC  SF
0
QC
TC

Q F
TF
T
 QC  F QF
TC
 TC  

Wrev   1 QC
 TF 
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Los sistemas de refrigeración reales se alejan considerablemente del modelo ideal, las
tres diferencias principales son:
‐ La transferencia de calor no se produce a la misma temperatura (no es reversible).
Producir una transferencia de calor suficiente para mantener el foco frio a TF , requiere
que el refrigerante tenga una temperatura varios grados menor. La misma situación se
da en el foco caliente, donde el refrigerante tiene que estar unos grados por encima de
la temperatura del foco caliente. Esto reduce la eficiencia.
‐ En el ciclo de Carnot se produce
una compresión húmeda, se está
comprimiendo una mezcla bifásica
líquido‐vapor. En sistemas reales sólo
se procesa vapor (compresión seca).
‐ El proceso de expansión de 3’ a 4’, apenas produce trabajo comparado con el trabajo
necesario en la compresión. En la realidad la turbina se substituye por una válvula de
estrangulación.
Esto da lugar al ciclo de refrigeración por compresión de vapor
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Refrigeración por compresión de vapor
1‐>2 Compresión adiabática del vapor saturado (de p0 a p)
2‐>3 Enfriamiento y condensación a presión constante en el condensador (p=cte)
3‐>4 Expansión irreversible en la válvula del líquido saturado hasta la presión inicial (p0)
4‐>1 Vaporización del vapor húmedo en el evaporador absorbiendo energía en forma de
calor Qe
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Vapor a p0
Líquido a p
Análisis del ciclo
Evaporador
 0  m  h1  h4   m  h0 '' h '
Q 0  mq
Compresor
m
m
  m  h2  h1  


W  mw
h
h
 2' 1 
 h2'  h0 ''
 sc

Condensador Q  m q  m  h2  h3   m  h2  h '
Válvula
Ciclo
 sc
h3  h4
W  Q  Q 0
Coef. eficiencia
Q 0
h '' h '
     sc 0
W
h2 ' h0 ''
Como refrigerantes se buscan aquellos que tengan una entalpía de vaporización grande,
porque si h’’‐h’ es grande, también lo será h0’’‐h’
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Refrigeración por compresión de vapor
Qe
 h1  h4

m
Qe Capacidad de refrigeración
Wc
 h2  h1

m
Qs
 h3  h2

m
h4  h3
 h1  h4
Qe m
 


Wc m h2  h1
En la figura inferior podemos ver varias características de un ciclo real de compresión
de vapor. La transferencia de calor entre el refrigerante y las regiones caliente y fría no
se produce de manera reversible (T menor que TF y mayor que TC en cada caso).
También vemos el incremento de entropía específica durante la compresión.
Rendimiento isoentrópico compresor
c

W m


h2s  h1


Wc m
h2  h1
c
s
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Esta máquina frigorífica se puede mejorar realizando modificaciones en el ciclo
termodinámico:
Subenfriamiento del refrigerante
Disminución de la presión del condensador
Enfriamiento regenerativo
Máquina frigorífica de compresión en varias etapas (especialmente utilizada cuando la
diferencia de temperatura entre los focos es muy elevada)
Los refrigerantes habituales son derivados halogenados de hidrocarburos. Las
temperaturas de los focos frío y caliente determina las temperaturas en el evaporador y
el condensador del refrigerante, lo cual determinará las presiones en los mismos. No se
deben tener presiones muy altas en el condensador ni muy bajas en el evaporador. Y por
supuesto, la entalpía del vaporización en el evaporador debe ser lo más elevada posible.
R134 = C2H2F4
R12 = CF2Cl2
El cloro y la capa de ozono
En máquinas de absorción se emplea NH3
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Máquinas frigoríficas y bombas de calor
Máquina de absorción
Comprimir un líquido requiere menos trabajo que comprimir un vapor. En el ciclo de
absorción el refrigerante que sale del evaporador se disuelve en un líquido que es
comprimido hasta la presión del condensador, donde el refrigerante es separado del
líquido para entrar en el condensador.
Producción de frío a baja temperatura – licuefacción de gases
Es muy costoso porque el coeficiente de eficiencia es muy pequeño. Incluso con una
máquina multietapa sólo se emplean hasta ‐100ºC.
Para la licuefacción de gases se emplean máquinas frigoríficas de gas. Se basan en el
efecto Joule‐Thomson en la válvula de estrangulamiento.
Cuando no sea reversible, se define el rendimiento energético como el coeficiente entre
el rendimiento real y el reversible:
MF


 rev
Q0
T
    MF rev  c MF
W
Th  Tc
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Máquina de absorción
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máquinas frigoríficas de gas
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Ciclo de Carnot de bomba de calor (máximo teórico)
Q s
TC
 rev  

Wneto rev TC  TF
Qs  Qe Wneto rev
Bomba de calor por compresión de vapor
 h h
Qs m
 
 2 3
 h2  h1
Wc m
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Máquinas frigoríficas y bombas de calor
En calefacción, tanto la calefacción eléctrica como de combustión, … son tipos de
calefacción irreversible.
El método de calefacción reversible es la bomba de calor
Para el caso de una bomba de calor reversible
Q C  Q F  Wrev
T
Q F  F Q C
TC
 TC

Wrev  1 
 TF
 
 QC

Desde el punto de vista termodinámico, la bomba de calor reversible es el ciclo más
favorable (da el mayor rendimiento). Se extrae energía del ambiente en forma de calor
con el mínimo trabajo.
En la práctica, como los proceso no serán reversibles, se precisará más potencia
Para el caso de calefacción eléctrica, en el caso ideal toda la energía en forma de trabajo
eléctrico se transformará en energía en forma de calor. Pero en la realidad el
rendimiento no será 1, sino algo inferior.
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