Fundamentos de los Ciclos de Refrigeración y Bombas de Calor

Ciclos de Refrigeración: Diferencias con el Ciclo de Carnot

Los ciclos de refrigeración que se verifican en la práctica se diferencian del de Carnot en dos aspectos fundamentales: se opta por eliminar la turbina y sustituirla por un elemento de simple expansión, como puede ser una válvula de estrangulamiento o válvula de laminación, basadas en la disminución de presión que experimenta un fluido al pasar por un estrechamiento.

Elementos de una Máquina Frigorífica

• El compresor: Aumenta de forma adiabática la presión del fluido refrigerante de P2 a P1 y la temperatura de T2 a T1. El trabajo (W) que realiza el compresor es absorbido por el fluido.
• El condensador: Refrigera el fluido con agua fría circulando a contracorriente; el fluido se licua, cediendo una cantidad de calor Q1 al agua de refrigeración, que de esta forma se calienta. La temperatura del fluido permanece constante (T1).
• El dispositivo de expansión: El líquido se expande adiabáticamente, disminuyendo la presión y la temperatura, con lo cual se vaporiza parcialmente.
• El evaporador: El líquido se vaporiza casi en su totalidad a presión constante (P2), absorbiendo una cantidad de calor Q2 del recinto que se desea enfriar o de una salmuera que circula a contracorriente con el vapor a una temperatura mayor a T2.

Nota: Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado centígrado a presión normal.

Bomba de Calor Reversible

Una bomba de calor se puede utilizar también como refrigerador. Solo es necesario dotar al equipo de una válvula reversible que permita intercambiar, según convenga, las funciones del evaporador y del condensador. Cuando se desea calentar en invierno un recinto determinado, el intercambiador situado en el interior del recinto deberá actuar como condensador, mientras que en verano dicho intercambiador funcionará como evaporador y la instalación se comportará como una máquina frigorífica.

Balance Energético

Foco caliente: T1 (Q1) / Foco frío: T2 (Q2)

W = Q1 - Q2 (donde T1 > T2)

Rendimiento y Eficacia

Motor Térmico

• Rendimiento Real: η = E_util / E_abs = W / Q1 = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 - Q2 / Q1
• Rendimiento Ideal: η = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2 / T1

Máquina Frigorífica

• Eficacia Real: ε_real = E_util / E_abs = Q2 / W = Q2 / (Q1 - Q2)
• Eficacia Ideal: ε_ideal = T2 / (T1 - T2)

Bomba de Calor

• Eficacia o Coeficiente Real: ε_real = Q1 / W = Q1 / (Q1 - Q2)
• Eficacia o Coeficiente Ideal: ε_ideal = T1 / (T1 - T2)