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1.7.- El ciclo frigorífico real.

En la figura puedes ver el ciclo frigorífico real. En verde tienes el ciclo ideal, en el que se mantienen las presiones y no se producen sobrecalentamientos ni subenfriamientos. En rojo tienes el ciclo real. Vamos a estudiar paso a paso que es lo que ha variado del ciclo ideal.

Comparación entre ciclo frigorífico ideal y real
Comparación entre ciclo frigorífico ideal y real



En primer lugar tendremos un sobrecalentamiento a la salida del evaporador. Recordarás que esto es necesario para asegurar que al compresor no le llegue nada de líquido. Pero el sobrecalentamiento va en contra del rendimiento del sistema frigorífico. Hace que tengamos que poner un compresor, un evaporador y un condensador mayor. Además la temperatura de los gases a la salida del compresor es mayor. Por lo tanto es importante que ese sobrecalentamiento sea lo menor posible. Lo habitual suele ser unos 5 ºC. En el diagrama el punto de entrada al compresor ya no es 4 sino que es 4’’.

Vayamos a la otra parte del diagrama. El punto 2 ha pasado a ser 2' ya que hay un subenfriamiento. El subenfriamiento es beneficioso para el rendimiento del ciclo. Ahora la porción de gas evaporado al salir del dispositivo de expansión es menor y por lo tanto hay mayor cantidad de refrigerante hirviendo en el evaporador. En otras palabras, se utiliza mejor el evaporador. El subenfriamiento suele ser de 5 - 10 ºC siempre que sea posible).

El resto de las variaciones con respecto al ciclo ideal se deben a pérdidas de presión:

De 1'' a 1' pérdidas de carga debido a las válvulas de salida del compresor.

De 1' a 2 pérdidas de carga debido a tubería de descarga y condensador. Si no se perdiera presión en el condensador la línea sería horizontal

De 2 a 2' pérdidas de carga debido a la tubería de líquido que va del condensador a la válvula de expansión.

De 3' a 4' pérdidas de carga debido al evaporador.

De 4' a 4'' pérdidas de carga debido a la tubería de aspiración y válvula de aspiración del compresor.

De 4'' a 1'' esta línea ya no es en el ciclo real paralela a las líneas de entropía (isentrópicas), sino que se inclina más a la derecha, ya que hay aumento de entropía en la compresión. La Segunda Ley de la Termodinámica nos dice que en la Naturaleza todos los procesos reales son con entropía creciente, es decir hay pérdidas de calor y no son perfectamente adiabáticos..

Como es evidente tenemos que procurar que las pérdidas de carga sean lo menor posible. Se suele admitir unas pérdidas máximas de 0,10 a 0,20 bar evaporador y condensador y la válvula de expansión se pone lo más cerca posible del evaporador para que la tubería que lleva el líquido a baja temperatura y presión al evaporador, no aumente su temperatura en el trayecto.

Para analizar o configurar instalaciones frigoríficas reales, es necesario utilizar programas informáticos apropiados que ayuden a calcular y visualizar resultados. En este caso, vamos a presentar uno de los más interesantes y conocidos que, además, el fabricante Solvay lo suministra gratuitamente a las personas interesadas:

Cuando se utilizan estos programas, los datos que se introducen son múltiples. Por ejemplo, las pérdidas de carga en las tuberías de líquido o gas de la máquina frigorífica y el rendimiento isotrópico del compresor, como datos más relevantes, además de los ya conocidos de presiones, temperaturas, sobrecalientamiento y subenfriamiento.

Existen puntos donde una caída de presión es necesaria como es el caso de la válvula de expansión, sin embargo, un diferencial de presión en otros componentes no es deseable debido a que dichas perdidas ocasionarán  un consumo energético mayor.

Algunas referencias para estos datos son las siguientes:

Línea de succión. La línea de succión es el segmento del ciclo en donde es más crítica la correcta selección de la tubería ya que toda caída de presión en este trecho obligará a una mayor compresión, afectando directamente a la eficiencia del sistema. La selección de esta línea debe basarse en la caída de presión equivalente a 1 °C tomando como referencia la temperatura de evaporación del sistema que, para cada refrigerante y máquina varía. Esta caída de presión oscila entre 0,15 bar ( - 5 ºC) y 0,05 bar (- 25 ºC). Velocidades típicas para el dimensionamiento de la línea de succión van de los 5 hasta los 10 m/s, siendo que en tramos ascendentes la velocidad nunca deberá de ser menor que 7,5 m/s.

Línea de descarga. En las máquinas frigoríficas de pequeña potencia, la línea de descarga es dimensionada por el fabricante dentro del conjunto de la unidad condensadora. Una unidad condensadora mantiene en un armario el compresor y el condensador, por lo que la distancia entre ambos es mínima y suele estar ya prefijada.  Sin embargo, en las instalaciones frigoríficas industrales el condensador suele situarse a cierta distancia del compresor y es necesario realizar un análisis de la caída de presión. Como regla general, la tubería de estos sistemas debe ser dimensionada para una pérdida de presión no mayor que 0,25 bar. Velocidades típicas para la selección de la línea de descarga van de los 10 hasta 13 m/s.

Línea de líquido. En contraste con las otras líneas, la línea de líquido es un segmento del sistema de refrigeración que no transporta refrigerante en estado gaseoso. Por este motivo la velocidad del fluido no es un factor primordial para el correcto funcionamiento de la instalación ya que el aceite se mezcla completamente con el refrigerante líquido (en estado vapor es más difícil que se mezcle aceite y refrigerante y por eso las velocidades deben ser mayores). Es preciso decir aquí, que por el circuito de vapor de refrigeración circula refrigerante mezclado con un aceite apropiado para que el compresor tenga la lubricación necesaria. Más o menos como el motor de un coche. Los trechos horizontales de la tubería no son un problema en términos de caída de presión, por lo contrario, los segmentos ascendentes necesitan de especial atención. Altas pérdidas de carga en segmentos ascendentes son inevitables, ya que podemos decir que por cada metro de ascensión, perdemos 0,1 bar (ya que el líquido refrigerante tiene, más o menos, la densidad del agua y 1 m cda ≈ 0,1 bar).

La línea de líquido se proyecta con velocidades inferiores a 1,5 m/s para evitar el fenómeno conocido que hemos visto del golpe de ariete, el cual puede presentarse después del accionamiento de válvulas solenoides.

En el siguiente esquema podemos apreciar el circuito de un sistema frigorífico comercial de media potencia.



Ejercicios Resueltos

1.- Dibujar sobre un diagrama de R134a el ciclo frigorífico de un sistema que tiene una temperatura en el condensador de 35 ºC. La temperatura en el evaporador es de 0 ºC, hay un subenfrimiento de 5 ºC y un recalentamiento de 10 ºC. Resolverlo con el programa Solkane.

2.- Tenemos una máquina frigorífica simple con las siguientes características:

- Potencia frigorífica 10 kW

- Temperatura en evaporador -10 ºC

- Temperatura en condensador 35 ºC

- Refrigerante R-407C

- Sobrecalientamiento 5 ºC

- Subenfriamiento 7 ºC

- Pérdidas de carga en aspiración y en la salida al condensador de 0,1 bar

- Pérdida de carga en evaporador 0,05 bar

- Pérdida de carga en unidad condensadora 0,03 bar

- Rendimiento isotrópico 0,75

Partiendo de los anteriores datos, obtener lo siguiente:

a) Representar el ciclo frigorífico en el diagrama de Mollier.

b) Calcular el caudal de refrigerante necesario.

c) Determinar la potencia del compresor

d) Determinar la temperatura y presión a la que sale el vapor del compresor.