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:

• Agua de enfriamiento ( Cooling water )
• Agua enfriada ( Chilled water )
• Compresor ( Compressor )
• Condensador ( Condenser )
• Dispositivo medidor ( Metering device )
• Evaporador ( Evaporator )
• Línea de descarga ( Discharge line )
• Línea de líquido ( Liquid line )
• Línea de succión ( Suction line )
• Válvula de control de gas caliente ( Hot gas control valve )
• Válvula de paso ( Bypass valve )
• Vidrio de observación ( Sight glass )

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).

• Compresión ( Compression )
• Condensación ( Condensation )
• Entalpía ( Enthalpy )
• Evaporación ( Evaporation )
• Expansión ( Expansion )
• Presión ( Pressure )
• Trabajo de compresor ( Compressor work )
• Trabajo de refrigeración ( Refrigeration work )

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 :

• Aire ( Air )
• Aire enfriado ( Cooled air )
• Alta presión ( High pressure )
• Alta temperatura del gas ( High gas temperature )
• Alta temperatura del líquido ( High liquid temperature )
• Baja presión ( Low pressure )
• Baja temperatura del gas ( Low gas temperature )
• Baja temperatura del líquido ( Low liquid temperature )
• Compresor ( Compressor )
• Condensador ( Condenser )
• Evaporador ( Evaporator )
• Líquido refrigerante ( Refrigerant liquid )
• Motor soplador ( Blower motor )
• Receptor secador ( Receiver dryer )
• Válvula de expansión ( Expansion valve )
• Ventilador enfriador ( Cooling fan )

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.

• Compresor ( Compressor )
• Condensador ( Condenser )
• Evaporador ( Evaporator )
• Gas refrigerante caliente a alta presión ( High pressure hot refrigerant gas )
• Gas refrigerante caliente a baja presión ( Low pressure hot refrigerant gas )
• Líquido refrigerante caliente ( Hot refrigerant liquid )
• Mezcla fría de líquido/gas refrigerante ( Cold mixture of liquid/refrigerant gas )
• Tubo capilar ( Capillary tube )

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:

• Aceite ( Oil )
• Bulbo sensor ( Sensing bulb )
• Compresor ( Compressor )
• Condensador ( Condenser )
• Evaporador ( Evaporator )
• Regulador de válvula de expansión ( Expansion valve controller )
• Secador ( Dryer )
• Separador de aceite ( Oil separator )
• Válvula solenoide ( Solenoid valve )

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)

1. Compresor
2. Motor
3. Trampa de aceite
4. Condensador de aire
5. Receptor de líquido (con nivel transparente)
6. Enfriador de aire (tipo pared)
7. Evaporador (tubo con aletas)
8. Válvula solenoide ( controlada con el compresor )
9. Válvula de expansión termostática
10. Embudo para evacuación de agua de deshielo
11. Chorro de agua (deshielo de agua)
12. Ventiladores
13. Válvula de presión constante
14. Dispositivo para evitar flujo intermitente del refrigerante (para halocarbones)

Ejemplos :

Esta imagen representa el ciclo de refrigeración básico de un sistema de refrigeración por compresión de vapor. Funcionamiento:

1. Compresor (Compressor):

   • Se encarga de succionar el refrigerante en estado gaseoso de baja presión y temperatura desde el evaporador.
   • Comprime el gas, aumentando su presión y temperatura, y lo envía al condensador.

2. Condensador (Condenser):

   • El refrigerante caliente y a alta presión libera calor al ambiente, transformándose en líquido de alta presión.
   • Este proceso ocurre mediante el intercambio de calor con el aire o agua circundante.

3. Tubo capilar (Capillary Tube):

   • Funciona como un dispositivo de expansión que reduce la presión del refrigerante antes de que ingrese al evaporador.
   • Este descenso de presión provoca una reducción en la temperatura del refrigerante.

4. Evaporador (Evaporator):

   • El refrigerante de baja presión y temperatura absorbe el calor del ambiente (o del interior de un refrigerador, aire acondicionado, etc.).
   • A medida que se calienta, el refrigerante se evapora y regresa al estado gaseoso.

5. Ciclo repetitivo:

   • Una vez evaporado, el gas vuelve al compresor para reiniciar el ciclo.

• Refrigeradores domésticos y comerciales.
• Aires acondicionados.
• Sistemas de refrigeración en la industria alimentaria.
• Equipos de climatización en vehículos.

Este es un sistema cerrado que utiliza un fluido refrigerante para transferir calor de un lugar a otro, permitiendo el enfriamiento de un espacio o sustancia.

• Acumulador ( Accumulator )
• Compresor ( Compressor )
• Condensador ( Condenser )
• Evaporador ( Evaporator )
• Filtro-secador ( Filter-drier )
• Intercambiador de calor ( Heat exchanger )
• Línea de descarga ( Discharge line )
• Línea de succión ( Suction line )

Descripción del Funcionamiento del Sistema

El sistema de refrigeración mostrado en la imagen representa un ciclo de refrigeración básico utilizado en sistemas como refrigeradores y aire acondicionado. Su funcionamiento es el siguiente:

1. Compresión: El compresor succiona el gas refrigerante desde la línea de succión y lo comprime, elevando su temperatura y presión.
2. Condensación: El gas caliente pasa al condensador, donde libera calor al ambiente y se condensa en estado líquido.
3. Filtración y acumulación: El refrigerante pasa a través del filtro-secador, que elimina impurezas y humedad, y llega al acumulador, el cual evita que el refrigerante en estado líquido ingrese al compresor.
4. Expansión y evaporación: El refrigerante líquido fluye hacia el evaporador, donde se evapora al absorber calor del ambiente, enfriando el espacio circundante.
5. Reinicio del ciclo: El gas refrigerante vuelve a la línea de succión, donde el proceso se repite.

Este sistema es ampliamente utilizado en equipos de refrigeración domésticos e industriales, optimizando el intercambio de calor para mantener bajas temperaturas de manera eficiente.

Descripción del Funcionamiento del Sistema

Este sistema de refrigeración muestra un diseño avanzado que incorpora un preenfriador, lo cual mejora la eficiencia térmica al reducir la temperatura del refrigerante antes de ingresar al condensador. El compresor comprime el gas refrigerante, aumentando su presión y temperatura. Luego, el gas caliente fluye al condensador, donde libera calor al ambiente y se convierte en líquido. El refrigerante pasa por el filtro-secador, que elimina la humedad y las impurezas, antes de llegar al evaporador, donde absorbe el calor del ambiente y se evapora nuevamente, completando el ciclo.

El acumulador evita que el refrigerante en estado líquido llegue al compresor, protegiéndolo de daños. Además, el sistema cuenta con una segunda línea de descarga y un retorno de descarga del preenfriador, lo que permite optimizar la refrigeración en aplicaciones más exigentes.

Descripción del Funcionamiento del Sistema

La imagen representa el funcionamiento de un sistema de refrigeración por compresión de vapor, específicamente en un aire acondicionado tipo ventana o un sistema de refrigeración compacto.

1. Ciclo de Refrigeración:

   • El compresor comprime el gas refrigerante, elevando su presión y temperatura.
   • El gas caliente fluye al condensador, donde libera calor al ambiente exterior mediante el intercambio con el aire forzado por un ventilador.
   • Al perder calor, el gas se condensa y se convierte en líquido de alta presión.

2. Expansión y Enfriamiento:

   • El refrigerante líquido pasa por el tubo capilar, donde sufre una caída de presión y temperatura antes de entrar en el evaporador.
   • En el evaporador, el refrigerante absorbe calor del aire caliente del ambiente interior, lo que hace que se evapore y enfríe el aire.

3. Distribución del Aire:

   • Un ventilador interno impulsa el aire caliente del ambiente interior a través del evaporador, enfriándolo antes de devolverlo al ambiente como aire frío.
   • Simultáneamente, el ventilador externo toma aire del exterior y lo dirige al condensador, permitiendo la disipación del calor absorbido.

4. Salida de Aire:

   • El aire frío se distribuye al interior del espacio que se desea enfriar.
   • El aire caliente es expulsado al exterior para disipar el calor extraído.

Este tipo de sistema se emplea en aire acondicionado de ventana, refrigeradores domésticos y sistemas de enfriamiento en pequeños espacios cerrados.