Circuito Frigorífico y su Funcionamiento

La refrigeración por compresión, es un ciclo termodinámico en el que se producen variaciones de presión, temperatura y cambios de estado.
El ciclo básico de los motores térmicos es el ciclo de Carnot, que consiste en someter al fluido existente en el circuito cerrado a una serie de transformaciones, dos de tipo adiabático y dos de tipo isotérmico. Sistema adiabático, es aquel que no intercambia calor con su entorno. Sistema isotérmico es aquel que se desarrolla a una misma temperatura. En el ciclo teórico de Carnot que es el que se va a utilizar para analizar el proceso de refrigeración por compresión:

  • El sistema adiabático en este caso sería el relacionado con las presiones
  • El sistema isotérmico en este caso con los cambios de estado gas-liquido y liquido-gas.

aguaAl tratarse de un sistema teórico, el sistema adiabático se considera isoentropico, es decir que en el no aumentaría la entropía, o lo que es lo mismo, que toda la energía que se aporta al sistema se convertiría en trabajo, y no existiría ningún tipo de perdidas. Hay que recordar los siguientes conceptos:
Si se aplica un trabajo para comprimir un gas, se incrementa su presión y su temperatura.

 

  • Cuando el gas expande disminuye su presión y su temperatura, los cambios de estado siempre se realizan a una temperatura constante.
  • Cuando una sustancia pasa de liquido a solido, de solido a liquido, de liquido a gas, o de gas a liquido, se mantiene la temperatura durante todo el proceso.

El estado de una determinada sustancia depende de las condiciones de presión y temperatura a las que se vea sometida.

  • El agua a la presión de 1 atmosfera tiene su punto de ebullición a 100ºC.
  • Si la presión disminuye, su punto de ebullición es mas bajo.
  • Si la presión aumenta, su punto de ebullición es mas alto.

Los líquidos prácticamente no son compresibles, lo son en muy pequeña medida que en estos procesos se puede considerar despreciables, por lo que bajo ningún concepto puede llegar liquido a un compresor. Si llega liquido a un compresor, lo deforma y lo inutiliza.

Un circuito frigorífico está formado básicamente por: 1 Compresor, 1 Condensador, 1 Válvula de expansión, y 1 Evaporador
En el circuito frigorífico hay dos sectores perfectamente diferenciados, el de alta presión y el de baja presión.

  • Representa el condensador (sector de alta presión).
  • Representa la válvula de expansión (limite entre los sectores de alta y baja presión). De hecho la válvula de expansión es la que provoca la bajada de presión.
  • Representa el evaporador (sector de baja presión).
  • Representa el compresor (limite entre los sectores de baja presión y alta presión.El compresor es el que provoca la subida de presión.

Vamos a suponer para explicar el proceso y que resulte mas intuitivo, que se trata de una maquina aire-aire, que correspondería con un aparato de ventana o una consola. Aire-aire, significa que la condensación se hace con aire exterior, y la evaporación se hace con el aire del recinto a climatizar.
Al compresor (4), llega gas procedente del evaporador (3). Mediante la aportación de un trabajo mecánico externo, comprime el gas que se encuentra a baja presión y baja temperatura.
Se supone en el ciclo teórico, que no existen perdidas a través de las paredes del compresor, por lo que el proceso sería adiabático.
Se supone igualmente en el estudio del circuito teórico que todo el trabajo aportado se utiliza para comprimir gas, y que no existe ninguna perdida. (Si fuese así, la entropía no varia y a este proceso, se le llama también isoentrópico). Del compresor (4) sale gas a alta presión y a alta temperatura. El gas llega al condensador (1), a una temperatura muy superior a la del aire exterior. En el condensador lo que se trata de conseguir es que el gas se convierta en liquido. Para ello es preciso enfriar ese gas hasta su temperatura de condensación a la presión del circuito.

Si la presión fuese de 24 bares, el R410a se convertiría en liquido a una temperatura en torno a 40ºC.
Si la presión fuese de 27 bares, el R410a, se convertiría en liquido a una temperatura en torno a 45ºC.
Si la presión fuese de 30 bares, el R410a se convertiría en liquido a una temperatura en torno a 50ºC.

Por lo tanto si la temperatura exterior, es 30ºC., haciendo pasar una corriente de aire por el exterior del serpentín se podrá conseguir enfriar el refrigerante a la temperatura de condensación.
Hasta que no se haya conseguido convertir en liquido todo el refrigerante, la temperatura del mismo se mantiene igual, por tanto si la condensación se produce a una temperatura de 45ºC., nos encontraremos con R410a en forma de gas a 45ºC., y R410a en forma de liquido a 45ºC.
Una vez que se haya convertido en liquido todo el gas, es a partir de entonces cuando se puede enfriar mas, nunca antes.
Supongamos que una vez pasado el condensador, se enfría algo mas el liquido, hasta la temperatura de 40ºC.
El refrigerante en estado líquido y a una temperatura de 40ºC., llega hasta la válvula de expansión (2).
Lo que se pretende en la válvula de expansión, es crear una perdida de presión muy alta entre el tramo del circuito correspondiente condensador, que es el denominado de alta presión, con el correspondiente al evaporador, que es el denominado de baja presión.
Inicialmente en las unidades pequeñas se colocaban tubos capilares, que tenían el mismo efecto, hacer pasar el liquido por unos tubos muy pequeños para que en ese paso se produjera una elevada perdida de presión.
A la válvula de expansión (2): Llega liquido a 40ºC., y sale liquido a 40ºC.
Si por ejemplo en la parte de alta, la presión es de 27 bares, se pretende provocar una perdida de presión en la válvula del orden de 18 bares, con lo que la presión una vez pasada la válvula de expansión, sería de: 27 – 18 = 9 bares. Por tanto llega liquido a 27 bares y 40ºC., y sale liquido a 9 bares y 40ºC.
Una vez pasada la válvula de expansión el liquido refrigerante se encuentra en una nueva situación, ha pasado al circuito del evaporador y en ese circuito, la presión ha disminuido a 9 bares, y además vuelve a expansionarse, los tubos por donde discurren tienen un diámetro relativamente alto.
A una presión de 9 bares el R410a, solo se mantiene en estado liquido a una temperatura que está en torno a 5ºC., por tanto a 40ºC., solo podría estar en forma de gas, nunca como liquido.
Se produce lo siguiente:
El liquido a 40ºC., y 9 bares tiende a evaporarse, dado que a esa temperatura y a esa presión no puede permanecer en estado liquido.
Inicia la evaporación de una parte del refrigerante, a costa de su calor interno (el liquido ha entrado a 40ºC).
Al evaporar una parte del refrigerante, el liquido se enfría, debido a que la única energía que puede utilizar para evaporar es la que dispone, y una vez consumida esa energía en la evaporación, alcanza una temperatura en torno a 5ºC.
Cuando toda la masa de liquido ha llegado a la temperatura de 5ºC., y estar sometido a una presión de 9 bares, se detiene la evaporación, dado que se ha llegado a una situación estable. En ese momento hay una pequeña parte de gas a una temperatura de 5ºC., y todo el liquido que se encuentra en la zona del evaporador o zona de baja presión, está a una temperatura de 5ºC. A 9 bares y 5ºC., el R410a, es estable en estado liquido.
A esa temperatura de 5ºC., la mezcla de liquido y la pequeña parte de gas que se ha evaporado, entran en el serpentín del evaporador (3).
Por el evaporador se hace pasar el aire del recinto que se pretende refrigerar.
Este aire puede tener una temperatura del orden de 27ºC., y entra en contacto con el exterior del evaporador que está a una temperatura de 5ºC.
El aire en contacto con las paredes exteriores del evaporador, cede calor elevando la temperatura del liquido contenido en el evaporador, en la misma proporción que disminuye la temperatura del aire que impulsa al recinto.
El aire ha entrado en el evaporador a 27ºC., y ha salido del evaporador por ejemplo a 14ºC.
El liquido refrigerante que está en el interior del evaporador estaba a 5ºC., y sigue a 5ºC., lo que ha ocurrido es que ha disminuido la proporción de liquido y ha aumentado la proporción de gas, debido al calor cedido por el aire.
En el serpentín del evaporador hay por tanto una mezcla de liquido y una mezcla de vapor, todo ello a la temperatura de 5ºC.
Se está produciendo un cambio de estado, y los cambios de estado se realizan a temperatura constante, por lo tanto hasta que todo el liquido no se haya evaporado, la temperatura seguirá siendo de 5ºC. en el evaporador.
Solamente después de que se haya convertido todo en gas, se podrá calentar este gas, nunca antes.
A la salida del evaporador, todo es gas a una temperatura del orden de 5ºC.
Si se hace pasar una corriente de aire a través de este gas, ahora si se podrá incrementar su temperatura. Por ejemplo supongamos que se eleva hasta 9ºC.
A la temperatura de 9ºC., y en forma de gas, entra el refrigerante al compresor (4), que lo comprime, e inicia nuevamente el proceso.
En esta explicación se han utilizado valores numéricos para que ayuden a comprender con exactitud el proceso, sin entrar en afinar excesivamente en temperaturas y presiones.
Cada refrigerante tiene un comportamiento diferente. Por ejemplo el R-22 utilizado hasta hace relativamente poco tiempo tiene otras propiedades y trabaja a presiones y temperaturas diferentes.