¿Cómo crear frío? El Ciclo de Refrigeración [2/2]

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Ciclo de Refrigeración explicado en Gráficas

Ahora, estudiaremos de nuevo el mismo proceso en la gráfica P-H (presión-entalpía), medidos respectivamente en MPa (megapascales) y kJ/kg (kilojulios por kilogramo). La gráfica final debe quedar como el esquema que les muestro a la derecha, en la que los puntos marcados son los mismos puntos que en el ciclo ya explicado. Pero estudiemos que significa cada una de las partes, y como podemos (a partir de datos experimentales) dibujar nuestra gráfica.

Para poder interpretar el gráfico, primero quisiera que vieran las zonas de líquido, vapor húmedo (lo que antes nombramos como mezcla líquido-vapor) y vapor. De esta manera será más fácil luego entender que ocurre en cada proceso.

En función de lo mostrado, vamos a recorrer el ciclo (esta vez más rápidamente), comparando con la primera explicación y viendo ilustrados los cambios de estado que antes se mostraban.

Empecemos de nuevo en el punto 2, y vayamos hacia el 3. La vertical que une ambos puntos en la gráfica coincide con la válvula de expansión, que disminuye la presión del fluido y, efectivamente, hace que pase de líquido a vapor húmedo (como se comprueba en la campana). Ahora, desde el punto 3 pasamos al 4 a presión constante. En este proceso vemos como el fluido pasa de vapor húmedo a vapor, que es lo que antes describimos que ocurría en el evaporador. Llegados aquí, vemos que el fluido pasa del punto 4 al 1 (el hecho de que la línea que unen 2 y 3 sea vertical, y la que une 4 y 1 sea oblicua, se debe al tipo de proceso según el dispositivo y lo comentaremos cuando hablemos de como dibujar la gráfica). Al pasar del punto 1 al 2, para completar el ciclo, vemos como vuelve a pasar de vapor a líquido. Este último proceso se corresponde con el del condensador.

Ya hemos interpretado la gráfica mostrada, en relación a lo que ya sabíamos del Ciclo de Refrigeración y a lo observado en el estado al que está el fluido en cada zona de la campana. Ahora vamos a aprender como se dibuja la gráfica partiendo de datos experimentales.

En el ejemplo que utilizaremos para explicarlo, vamos a partir del refrigerante R22. A continuación les muestro su diagrama.

Para dibujar el gráfico del ciclo, debemos partir de las presiones de alta y de baja, que delimitarán el dibujo resultante. En nuestro ejemplo práctico con el R22 [pueden ir haciendo el dibujito en la gráfica real de arriba], la presión de alta medida experimentalmente es de 10 bar, y la de baja es de 3 bar (que equivale a decir 1MPa, y 0,3MPa, como muestro yo en la gráfica simplificada de la derecha). Tengan en cuenta que la tabla de arriba está en bar, así que tendrán que trabajar con los datos de 10 y 3 si lo hacen allí.

Ahora habrá que encontrar los puntos 1, 2, 3 y 4, y eso lo haremos utilizando las isotermas. Pero, ¿qué es una isoterma? Como su nombre indica, son las líneas de temperatura constante, que en el gráfico del R22 vienen en negro, y están en horizontal en la zona de vapor húmedo de la campana. En ese diagrama, van desde -50ºC hasta 90ºC.

Midiendo experimentalmente la temperatura a la entrada en la válvula de expansión, que coincide con la temperatura en el punto 2 de nuestra gráfica, podremos seleccionar la isoterma que nos va a cortar con la presión de alta fuera de la campana, dándonos así el punto 2. En este caso, será la isoterma de 20ºC. Lo que ocurre es que en la zona de líquido (a la izquierda de la campana), las isotermas suben, así que hemos buscado el punto en el que a nuestra temperatura (20ºC) se da la presión que tenemos (1MPa). Esta es la razón de que en el gráfico representemos este punto un poquito por fuera de la línea de saturación (que es la línea de la campana).

Pasemos al punto 3. Lo sacaremos del corte con la presión de baja (trazando una línea vertical porque la válvula de expansión es un dispositivo que no varía la entalpía). Ya tenemos los dos primeros puntos hallados. Ahora, el punto 4 y 1 se encuentran de la misma manera. La temperatura en el punto 4 (que une el evaporador y el compresor) es de -15ºC. Con la isoentrópica de -15 (por darse en el compresor ideal un proceso a igual entropía) nos desplazamos hacia el punto de corte con la presión de alta, y ahí tendremos el 1. Para dicho punto, la temperatura es de unos 57ºC.

Así, sale el gráfico que mostré al comienzo:

Así que con esta explicación, hemos conocido de que elementos consta el Ciclo de Refrigeración, como se relacionan entre sí, que efecto producen sobre el fluido refrigerante, su representación en la gráfica presión-entalpía, y un ejemplo práctico con el refrigerante real R22, del que obtendrán más información haciendo click aquí. 

Pero, en otras palabras (y volviendo a un lenguaje quizá más claro), con estos dos artículos hemos contestado la pregunta que hice al principio: “¿Se les ocurre alguna manera de generar frío?” Ahora, tienen la respuesta.

Rubén Lijó

Hablando de Ciencia