Ciclo de refrigeración por compresión de vapor (Vapor compression refrigeration cycle)

El sistema de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado en aire acondicionado y refrigeración industrial. Se basa en la circulación de un refrigerante que cambia de estado dentro de un circuito cerrado, absorbiendo calor en el evaporador y cediéndolo al ambiente en el condensador. (The vapor compression refrigeration system is the most widely used in air conditioning and industrial refrigeration. It is based on the circulation of a refrigerant that changes state inside a closed circuit, absorbing heat in the evaporator and releasing it to the environment in the condenser.)

Elementos y estados del refrigerante (Components and refrigerant states):

• Evaporador (Evaporator): absorbe calor del aire; el refrigerante se evapora a baja presión.
• Aire enfriado (Cooled air): aire impulsado al ambiente.
• Motor soplador (Blower motor): fuerza el paso de aire a través del evaporador.
• Compresor (Compressor): aspira gas a baja presión y lo comprime a alta presión.
• Alta presión / alta temperatura del gas (High pressure / high temperature gas).
• Condensador (Condenser): cede calor al ambiente y licúa el refrigerante.
• Ventilador enfriador (Cooling fan): aumenta la transferencia de calor en el condensador.
• Alta presión / alta temperatura del líquido (High pressure / high temperature liquid).
• Receptor secador (Receiver-drier): almacena, filtra y elimina humedad del refrigerante.
• Válvula de expansión (Expansion valve): reduce bruscamente presión y temperatura.
• Baja presión / baja temperatura del líquido (Low pressure / low temperature liquid).
• Baja presión / baja temperatura del gas (Low pressure / low temperature gas).
• Líquido refrigerante (Refrigerant liquid).

En el evaporador, el refrigerante absorbe calor del aire impulsado por el soplador y se evapora. El compresor eleva su presión y temperatura. En el condensador, el gas caliente se enfría, cede calor al ambiente y se condensa. Luego, al atravesar la válvula de expansión, sufre una caída brusca de presión, regresando al evaporador para reiniciar el ciclo. (In the evaporator, the refrigerant absorbs heat from the air moved by the blower and evaporates. The compressor raises its pressure and temperature. In the condenser, the hot gas is cooled, releases heat to the environment and condenses. After passing through the expansion valve, it undergoes a sharp pressure drop and returns to the evaporator to restart the cycle.)

Psicometría y Humedad Relativa:

La presión de vapor juega un papel fundamental en la definición de la humedad relativa como la relación entre la presión parcial de vapor de agua y la presión de vapor saturado a una temperatura específica. Este concepto es ampliamente utilizado en sistemas de aire acondicionado y refrigeración para evaluar condiciones de confort térmico y humedad​.

Psicometría y Humedad Relativa: La presión de vapor juega un papel fundamental en la definición de la humedad relativa como la relación entre la presión parcial de vapor de agua y la presión de vapor saturado a una temperatura específica. Este concepto es ampliamente utilizado en sistemas de aire acondicionado y refrigeración para evaluar condiciones de confort térmico y humedad​.

Sistemas de Deshumidificación: En procesos de deshumidificación con desecantes, la fuerza impulsora es el gradiente de presión de vapor. El desecante absorbe vapor de agua cuando la presión de vapor en el aire circundante supera la presión de vapor en la superficie del desecante​.

Condensación y Barreras de Vapor:La diferencia de presión de vapor a través de paredes o techos puede llevar a la condensación de agua, reduciendo la capacidad aislante de los materiales. Para mitigar este problema, se recomienda la instalación de barreras de vapor adecuadas​.

Propiedades de los Refrigerantes:En el diseño de sistemas de refrigeración, la presión de vapor de los refrigerantes es crucial para determinar el rango operativo y la eficiencia del sistema.

Análisis de Energía en Válvulas de Expansión: Durante la expansión de un líquido saturado a través de una válvula, parte del líquido se convierte en vapor, lo que requiere trabajo adicional del compresor. Este análisis está relacionado con la presión de vapor y su impacto en el rendimiento del ciclo de refrigeración​.

Sistema de vapor.

Sensores de temperatura. Medición y control industrial

Los sistemas térmicos llenos de vapor, también llamados sistemas Clase II según la clasificación SAMA, constituyen una de las soluciones más utilizadas para la medición de temperatura sin necesidad de energía eléctrica. Su principio de funcionamiento se basa en el uso de un fluido volátil que, al calentarse, genera vapor dentro de un bulbo sensor cerrado. Este vapor genera presión, la cual es transmitida a través de un tubo capilar hasta un elemento de desplazamiento (como un tubo Bourdon), que acciona una aguja indicadora.

Figura 3 . Termómetro a sistema lleno de vapor.
a). Construcción normal.
b). Construcción con membrana.
F Sistema de desplazamiento – K Capilar – V Membrana – T Bulbo sensor - Fl fluido- D. Vapor- Z Indicador

Figura 4. Curvas de presión de vapor para diversos fluidos utilizados en termómetros a sistema lleno de vapor.
a. Propano -b. Cloruro de etilo -c. Éter etílico -d . Alcohol etílico – e Agua -f. Xílol (dimetilbenceno) .

En la Figura 3, se observa el esquema típico de un sistema de vapor con desplazamiento directo, y en la Figura 4, una versión con membrana que permite mayor precisión o sensibilidad. El sistema completo está formado por:

• T (Bulbo sensor)
• F (Elemento de desplazamiento, p. ej., tubo Bourdon)
• K (Tubo capilar)
• Z (Indicador)
• Fl (Fluido)
• D (Vapor)
• V (Membrana)

El fluido de llenado en estos sistemas es una sustancia volátil elegida según el rango de temperatura a medir. Los más comunes incluyen:

• Agua: 100 a 230 °C
• Tolueno: 115 a 315 °C
• Acetona: 65 a 200 °C
• Éter dietílico: 40 a 185 °C
• Butano: -5 a 150 °C
• Cloruro metílico: -10 a 120 °C
• Propano: -40 a 70 °C
• Alcohol etílico: 80 a 230 °C
• Dimetilbenceno: 130 a 380 °C

La longitud máxima del tubo capilar varía según el diseño del sistema. Para los sistemas Clase IIS, el capilar puede llegar a 7,5 m, con un sensor pequeño (10 × 50 mm). En cambio, en un sistema Clase IIC, se pueden alcanzar hasta 45 m de capilar, pero requiere sensores más grandes (hasta 22 × 150 mm) para asegurar que el fluido no se evapore por completo, garantizando así una presión suficiente para accionar el sistema.

En los sistemas Clase IIB, el tamaño del bulbo se mantiene constante independientemente del largo del capilar.

A diferencia de los sistemas de gas o líquido, los sistemas de vapor no requieren compensación por temperatura ambiente, ya que la presión de vapor depende exclusivamente de la temperatura del bulbo, y no del volumen total del sistema. Esto los convierte en una excelente elección para aplicaciones sin control térmico ambiental.

Una particularidad destacable es que estos sistemas presentan una escala no lineal (alineal): las graduaciones están más comprimidas al inicio y más abiertas hacia el final. Esta propiedad es útil para mejorar la resolución de lectura en la zona de temperaturas más altas (último tercio del rango), donde suele ser más crítica la precisión.

• Lectura alineal: mayor resolución en la zona crítica de medición.
• Rápida respuesta térmica: constantes de tiempo t90 muy cortas, ideales para monitoreo dinámico.
• Bajo costo: tecnología mecánica económica y sin necesidad de alimentación eléctrica.
• Alta confiabilidad: ideal para ambientes agresivos, procesos con altas temperaturas y aplicaciones de seguridad.

Este tipo de sensores sigue siendo ampliamente utilizado en hornos industriales, equipos de calefacción, secado y procesamiento, donde se valoran su simplicidad y robustez.

Sistemas de gas

Los sistemas llenos de gas Clase II pueden usar helio desde -195 a -130°C , nitrógeno desde -130 a 470°C o argón desde 470 a 760°C.

Los sistemas Clase III están diseñados con una relación elevada volumen de sensor/volumen de capilar. Esto minimiza los efectos de la temperatura ambiente y esencialmente elimina la necesidad de una compensación total. Aún cuando puedan fabricarse sistemas totalmente compensados (Clase IIIA), éstos, por lo general no son disponibles comercialmente ya que en estos casos los sistemas Clase IIIB pueden dar resultados satisfactorios.

Para la compensación de temperatura ambiente, los sistemas Clase IIIB compensados parcialmente pueden recurrir a un elemento de compensación bimetálica o bien a un segundo elemento de desplazamiento.

Para estos sistemas igual a lo que ocurre con los sistemas Clase II; el tamaño del sensor es independiente del alcance de temperatura, y requieren los mayores sensores de todas las cuatro clasificaciones. Por ejemplo. un sistema lleno Clase IIIB con capilar de 30 m tendría un sensor de 22 mm x 250 mm,

El largo del tubo capilar en los sistemas Clase III suele ser inferior a 30 m. puesto que un tubo más largo requeriría un mayor sensor para disminuir los errores provocados por las variaciones de temperatura ambiente en el capilar y los sensores en estos sistemas ya de por si son bastante grandes.

Resumen

• Escalas lineales.
• Pueden fabricarse con una variedad de rangos muy grandes por la amplia franja de temperaturas de utilización de los gases empleados.

Términos destacados :

• Acetona ( Acetone )
• Alcohol etílico ( Ethyl alcohol )
• Bulbo sensor ( Sensing bulb )
• Butano ( Butane )
• Capilar ( Capillary tube )
• Clase IIA ( Class IIA )
• Clase IIB ( Class IIB )
• Clase IIC ( Class IIC )
• Clase IIS ( Class IIS )
• Compensación térmica ( Thermal compensation )
• Constante de tiempo ( Time constant )
• Control industrial ( Industrial control )
• Desplazamiento mecánico ( Mechanical displacement )
• Dimetilbenceno ( Dimethylbenzene )
• Éter dietílico ( Diethyl ether )
• Escala alineal ( Nonlinear scale )
• Fluido volátil ( Volatile fluid )
• Indicador de aguja ( Needle indicator )
• Medición de temperatura ( Temperature measurement )
• Membrana ( Membrane )
• Presión de vapor ( Vapor pressure )
• Propano ( Propane )
• Rango de temperatura ( Temperature range )
• Resolución de lectura ( Reading resolution )
• Sensor de vapor ( Vapor sensor )
• Sistema de medición ( Measurement system )
• Sistema de vapor ( Vapor system )
• Sistema térmico lleno ( Filled thermal system )
• Tolueno ( Toluene )
• Vapor saturado ( Saturated vapor )