Circuitos Refrigerantes:
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor
Con la excepción de las máquinas refrigeradoras de absorción, la mayoría de los sistemas de aire acondicionado comerciales se basan en el ciclo de compresión de refrigerante en estado de vapor. El proceso puede ser utilizado para extraer el calor del aire (un acondicionador de aire) o de agua (enfriador). Este puede rechazar el calor a la atmósfera (aire) o agua (refrigeración por agua). El proceso puede incluso ser aplicado como un calentador, moviendo el calor del fluido frío (aire exterior) a un fluido caliente (aire interior). Esto se conoce como bomba de calor.
Un enfriador refrigerado por agua se utilizará como ejemplo. El refrigerador utiliza el ciclo de compresión de vapor para refrigerar agua y rechazar el calor recogido desde el agua enfriada más el calor del compresor a un segundo circuito de agua enfriada por una torre de refrigeración. La figura 5 muestra el circuito básico de refrigeración. Este consta de los cuatro componentes principales siguientes:

Fig. 5 - Circuito de refrigeración básico
Evaporador
El evaporador es un intercambiador de calor que elimina el calor del edificio desde el agua enfriada, bajando la temperatura del agua en el proceso. El calor es utilizado para hervir el refrigerante, cambiándolo de un estado líquido a un gas.
Compresor
El montaje del compresor se compone de un elemento de tracción primario (normalmente un motor eléctrico) y un compresor. El compresor eleva la presión y la temperatura del gas refrigerante.
Condensador
Al igual que el evaporador, el condensador es un intercambiador de calor. En este caso, se elimina el calor del refrigerante haciendo que se condense de un estado gaseoso a un líquido. El calor eleva la temperatura del agua. El agua del condensador después, lleva el calor a la torre de refrigeración donde el calor es rechazado al ambiente.
Dispositivo de expansión
Después que el refrigerante se condensa pasando a líquido, éste pasa a través de un dispositivo de reducción de presión. Este dispositivo puede ser tan simple como una placa perforada o tan complicado como una válvula de expansión térmica modulante electrónica.
Diagrama de presión-entalpía
El diagrama de presión-entalpía (P-H) es otra forma de ver el ciclo de refrigeración. Este tiene la ventaja de mostrar gráficamente el proceso, el efecto de enfriamiento y el trabajo necesario para que pueda ocurrir.
La Figura 6 muestra el diagrama presión-entalpía (P- H) para el mismo circuito de refrigeración que se muestra en la Figura 5. El proceso para cada uno de los componentes está indicado en el gráfico. El proceso de evaporación es del punto 1 al punto 2. A medida que el refrigerante cambia de líquido a gas, la presión (y temperatura) se mantiene constante. El calor está siendo absorbido como un cambio de fase (energía latente). El efecto de refrigeración es el cambio en entalpía de 1 a 2, simplemente expresado en Btu / libra de refrigerante circulado.
La línea 2-3 representa el proceso de compresión. El trabajo es el cambio en la entalpía del punto 2 al punto 3 proporcional al flujo de refrigerante. Simplemente, Btu / lb. veces que las libras. / min sean iguales a la potencia del compresor. Los compresores terminan con el trabajo de compresión en forma de calor en el refrigerante. El aspecto vertical de la curva muestra el aumento de la presión del refrigerante (y la temperatura) a partir de 2 a 3.
El siguiente proceso tiene lugar en el condensador. La primera sección (fuera del domo del refrigerante) es el proceso de recalentamiento. Una vez que el refrigerante está saturado, se produce la condensación y el refrigerante cambia de un gas a un líquido. Al igual que el evaporador, la línea es horizontal, indicando presión (o temperatura) constante.
El proceso final es el dispositivo de expansión. Esto aparece como una línea vertical desde el punto 4 al punto 1, indicando la caída de presión (y temperatura) que se produce a medida que el refrigerante pasa a través de la válvula de expansión térmica (TX).

Fig. 6 - Diagrama Presión - Entalpía
Veamos otro ejemplo.
Los termines físicos del proceso de refrigeración han sido tratados con anterioridad, sin embargo por razones prácticas el agua no se usa como refrigerante. Veamos un circuito con gas refrigerante :

Fig. 7: Circuito Refrigerante
3.1. Evaporador:
Un refrigerante en forma liquida absorberá calor cuando se evapore, y este cambio de estado produce un enfriamiento en un proceso de refrigeración.
Si a un refrigerante a la misma temperatura que la del ambiente se le permite expansionarse a través de una boquilla con una salida a la atmosfera, el calor lo tomará del aire que lo rodea y la evaporación se llevará a cabo a una temperatura que corresponderá a la presión atmosférica.
Si por cualquier circunstancia, se cambia la presión de la salida (presión atmosférica) se obtendrá una temperatura diferente de evaporación.
El elemento donde esto se lleva a cabo es el evaporador cuyo trabajo es sacar calor de sus alrededores y así producir una refrigeración.
3.2. Compresor:
El proceso de refrigeración implica un circuito cerrado. Al refrigerante no se le deja expansionar al aire libre.
Cuando el refrigerante va hacia el evaporador este es alimentado por un tanque. La presión en el tanque será alta, hasta que su presión se iguale a la del evaporador. Por esto la circulación del refrigerante cesará y la temperatura tanto en el tanque como en el evaporador se elevará gradualmente hasta alcanzar la temperatura ambiente.
Para mantener una presión menor y con esto una temperatura más baja, es necesario sacar el vapor del evaporador. Esto lo realiza el compresor, el cual aspira vapor del evaporador. En términos sencillos, el compresor se puede comparar a una bomba que transporta vapor en el circuito del refrigerante.
En un circuito cerrado, a la larga prevalece una condición de equilibrio. Para ampliar más este concepto tenemos que ver si el compresor aspira vapor más rápidamente, que el que se puede formar en el evaporador, la presión descenderá y con esto la temperatura en el evaporador. Por el contrario, si la carga en el evaporador se eleva, el refrigerante se evaporará mas rápidamente lo que producirá una mayor presión, y por esto una mayor temperatura en el evaporador.
3.3. El compresor, forma de trabajo:
El refrigerante sale del evaporador, o bien como vapor saturado o ligeramente recalentado y entra en el compresor donde es comprimido. La compresión se realiza igual que en un motor de explosión, esto es por el movimiento de un pistón.

Fig. 8: Componentes de un sistema de refrigeración basado en compresor y refrigerante.
El compresor necesita una energía y produce un trabajo. Este trabajo es transferido al vapor refrigerante y se le llama trabajo de compresión.
A causa de este trabajo de compresión, el vapor sale del compresor a una presión distinta y la energía extra aplicada produce un fuerte recalentamiento del vapor.
El trabajo de compresión depende de la presión y temperatura de la planta. Mas trabajo, por supuesto requiere comprimir 1 Kg. de gas a 10 At ( ~ bar) que comprimir la misma cantidad a 5 At. (~ bar).
3.4. Condensador:
El refrigerante deja su calor en el condensador y el calor es transferido a un medio que se encuentra a más baja temperatura.
La cantidad de calor que suelta el refrigerante es el absorbido en el evaporador mas el calor recibido por el trabajo de compresión.
El calor se transfiere a un medio que puede ser aire ó agua, el único requisito es que su temperatura sea más baja que la correspondiente a la presión de condensación del refrigerante.
El proceso en el condensador de otra manera se puede comparar con el proceso en el evaporador, excepto que tiene el “signo” opuesto, es por consiguiente el cambio de estado de vapor a líquido.
3.5. Proceso de expansión:
El líquido procedente del condensador, penetra en un tanque colector, el recipiente.
Este tanque se puede comparar al mencionado en el punto 3.1. al hablar del evaporador.
La presión en el recipiente es más alta que la presión en el evaporador a causa de la compresión (incremento de presión) que se lleva a cabo en el compresor.
Para disminuir la presión, al mismo nivel del evaporador hay que colocar un dispositivo que lleve a cabo este proceso, el cual se llama de estrangulación o expansión, por lo que este dispositivo es conocido por dispositivo de estrangulación o dispositivo de expansión.
Normalmente se utiliza una válvula llamada, por lo tanto, válvula de estrangulación o válvula de expansión.
Delante de la válvula de expansi6n, el fluido estará a una temperatura por encima del punto de ebullición. Al reducirle rápidamente su presión se producirá un cambio de estado, el líquido empezará a hervir y a evaporarse.
La evaporación se lleva a cabo en el evaporador y así se completa el circuito.
3.6. Lados de alta y baja presión en una planta de refrigeración:

Fig. 9: Circuito de refrigeración con separador de aceite, bulbo sensor y regulador de válvula de expansión.
Hay muchas temperaturas diferentes implicadas en el funcionamiento de una planta de refrigeración. De aquí que hay diferentes fases como líquido subenfriado, líquido saturado, vapor saturado y vapor recalentado.
En principio, sin embargo solo hay dos presiones: presión de evaporación y presión de condensación.
Las plantas entonces se pueden dividir en lado de alta presión y lado de baja presión, tal como se muestra en la figura siguiente.

Fig. 10: Lados de Alta y Baja presión en un ciclo de Refrigeración

A. Ambiente externo hacia el cual el calor es rechazado
B. Sála de máquinas
C. Salón refrigerado ( en el cual el calor es absorbido)
- Compresor
- Motor
- Trampa de aceite
- Condensador de aire
- Receptor de líquido (con nivel transparente)
- Enfriador de aire (tipo pared)
- Evaporador (tubo con aletas)
- Válvula solenoide ( controlada con el compresor )
- Válvula de expansión termostática
- Embudo para evacuación de agua de deshielo
- Chorro de agua (deshielo de agua)
- Ventiladores
- Válvula de presión constante
- Dispositivo para evitar flujo intermitente del refrigerante (para halocarbones)
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