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CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de refrigeración son fundamentales en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales y domésticas. Desde la conservación de alimentos y medicamentos hasta el control de la temperatura en edificios y procesos industriales, estos sistemas permiten mantener condiciones térmicas específicas y controladas. Uno de los métodos más utilizados para la generación de frío en estos sistemas es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, el cual opera bajo principios termodinámicos que involucran la transferencia de calor y trabajo entre diferentes componentes. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor puede analizarse desde dos perspectivas principales: el ciclo ideal y el ciclo real. El ciclo ideal, basado en suposiciones simplificadas como la ausencia de irreversibilidades y pérdidas de energía, proporciona una referencia teórica que permite estimar el rendimiento máximo de un sistema de refrigeración. Por otro lado, el ciclo real introduce las complejidades prácticas de un sistema físico, tales como fricción, pérdidas de calor y limitaciones de eficiencia, las cuales afectan de manera significativa el desempeño del sistema. En el contexto de la termodinámica aplicada, comprender las diferencias entre el ciclo ideal y el ciclo real es esencial para el diseño, la optimización y la operación eficiente de los sistemas de refrigeración. Esto no solo permite mejorar la eficiencia energética, sino también reducir costos operativos y minimizar el impacto ambiental, aspectos cruciales en la ingeniería moderna. El presente trabajo tiene como objetivo realizar un análisis detallado de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor, tanto en su versión ideal como en su versión real. A través de este estudio, se evaluarán las principales diferencias entre ambos ciclos, se identificarán las irreversibilidades que afectan al rendimiento de los sistemas reales y se explorarán las aplicaciones prácticas de estos sistemas en diversas industrias. Este enfoque teórico-práctico permitirá una comprensión integral del funcionamiento y la relevancia de estos ciclos termodinámicos en la actualidad.
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Breve Repaso De Principios Termodinámicos (Primera Y Segunda Ley) La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede cambiar de forma. En el contexto de un ciclo de refrigeración, la energía suministrada al sistema en forma de trabajo es igual a la cantidad de calor transferido del espacio frío al espacio caliente. Matemáticamente, la Primera Ley se expresa de la siguiente forma: ΔU=Q−W Donde:
ΔU es el cambio de energía interna del sistema,
Q es el calor transferido hacia o desde el sistema,
W es el trabajo realizado por el sistema (Çengel y Boles, 2019).
Por otro lado, la Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre tiende a aumentar en un proceso irreversible. Esto implica que, aunque el trabajo puede ser completamente convertido en calor, el calor no puede convertirse totalmente en trabajo sin producir alguna pérdida de energía en forma de irreversibilidades. Esta ley es fundamental para entender la eficiencia de los ciclos de refrigeración, ya que las irreversibilidades en los procesos reales siempre reducen la eficiencia teórica (Moran y Shapiro, 2014). 2.2. Ciclo de Carnot aplicado a la refrigeración como referencia teórica El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico teórico que establece el límite máximo de eficiencia para cualquier máquina térmica. En el contexto de la refrigeración, el ciclo de Carnot inverso sirve como referencia para el rendimiento ideal de un sistema de refrigeración. Este ciclo ideal se compone de dos procesos isentrópicos (compresión y expansión adiabática) y dos procesos isotérmicos (absorción y rechazo de calor). Aunque el ciclo de Carnot es útil para calcular el máximo rendimiento teórico, no se puede implementar en la práctica debido a las irreversibilidades en los componentes reales, como la fricción y las pérdidas de calor (Çengel y Boles, 2019).
proceso ocurre a presión constante, y el refrigerante se condensa de vapor a líquido. En un sistema ideal, la transferencia de calor ocurre sin pérdida de energía, pero en la práctica, las irreversibilidades afectan la eficiencia del intercambiador de calor (Incropera y DeWitt, 2007). Expansión adiabática: El refrigerante líquido pasa por una válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen bruscamente. Este proceso es adiabático, es decir, no hay transferencia de calor hacia o desde el refrigerante, pero es irreversible, lo que implica un aumento de entropía. El refrigerante sale de la válvula en una mezcla de líquido y vapor a baja presión (Çengel y Boles, 2019). Evaporación a presión constante: Finalmente, el refrigerante de baja presión entra en el evaporador , donde absorbe calor del espacio a refrigerar, cambiando de estado de líquido a vapor. Este proceso ocurre a presión constante y es el que permite la refrigeración del entorno. En un ciclo ideal, todo el calor absorbido se utiliza para evaporar el refrigerante, pero en la realidad, las pérdidas y las ineficiencias reducen la efectividad de este proceso (Moran y Shapiro, 2014; Incropera y DeWitt, 2007).
3. CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Muchos de los inconvenientes del ciclo de Carnot inverso pueden ser eliminados si el refrigerante se evapora completamente antes de la compresión y se reemplaza la turbina por un dispositivo de estrangulamiento, como una válvula de expansión o un tubo capilar. El ciclo resultante se conoce como ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, que se ilustra esquemáticamente y mediante un diagrama T-s. Este ciclo es el más comúnmente utilizado en refrigeradores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor, y está compuesto por cuatro procesos (Çengel y Boles, 2019). 1-2 Compresión isentrópica en un compresor 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante ingresa al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime de manera isentrópica hasta alcanzar la presión del condensador. Durante la compresión isentrópica, la temperatura del refrigerante aumenta significativamente por encima de la temperatura del entorno. Luego, el refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, debido a la liberación de calor hacia el ambiente. En este punto, la temperatura del refrigerante sigue siendo superior a la del entorno. A continuación, el refrigerante líquido saturado en el estado 3 se expande hasta alcanzar la presión del evaporador, al pasar por una válvula de expansión o un tubo capilar. Durante este proceso, la temperatura del refrigerante baja por debajo de la temperatura del área refrigerada. En el estado 4, el refrigerante entra al evaporador como una mezcla de vapor y líquido de baja calidad, donde se evapora completamente al absorber calor del espacio refrigerado. Finalmente, el refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y regresa al compresor, completando así el ciclo. En un refrigerador doméstico los tubos en el compartimiento del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como el evaporador. Los serpentines detrás del refrigerador, donde el calor se disipa en el aire de la cocina, sirven como el condensador.
En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y se dirige al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la práctica, no es factible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En su lugar, es común diseñar el sistema de tal manera que el refrigerante presente un ligero sobrecalentamiento al ingresar al compresor. Este leve sobrecalentamiento garantiza que el refrigerante se haya evaporado por completo antes de entrar al compresor. Además, la tubería que une el evaporador con el compresor suele ser bastante larga, lo que provoca que la caída de presión, ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor del entorno al refrigerante, sea considerable. Las consecuencias del sobrecalentamiento, la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión tanto en el evaporador como en dicha línea resultan en un aumento del volumen específico, lo que a su vez incrementa los requerimientos de potencia que debe recibir el compresor, ya que el trabajo de flujo estacionario es proporcional al volumen específico. En el ciclo ideal, el proceso de compresión es reversible, adiabático y, por lo tanto, isentrópico. Sin embargo, en un proceso de compresión real se presentan efectos de fricción que incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede provocar un aumento o disminución de la entropía, dependiendo de la dirección del flujo. Así, la entropía del refrigerante puede aumentar (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2') durante la compresión real, según cuál efecto predomine. El proceso de compresión 1-2' puede resultar más favorable que el proceso isentrópico, ya que el volumen específico del refrigerante y, por ende, los requerimientos de trabajo son menores en este caso. Por lo tanto, siempre que sea práctico y rentable, se debe procurar que el refrigerante se enfríe durante la compresión. En el caso ideal, se asume que el refrigerante sale del condensador como líquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, en la práctica, es inevitable experimentar cierta caída de presión en el condensador y en las líneas que lo conectan con el compresor y la válvula de estrangulación. Además, no es sencillo realizar el proceso de condensación con la precisión necesaria para que el refrigerante sea un líquido saturado al final, y no es conveniente enviar el refrigerante a la válvula de estrangulación antes de que se haya condensado completamente. Como resultado, el refrigerante se subenfría un poco antes de entrar en la válvula de estrangulación. A pesar de estas consideraciones, es importante tener en cuenta que el refrigerante entra al evaporador con una entalpía menor, lo que le permite absorber más calor del espacio refrigerado. La válvula de estrangulación y el evaporador se
encuentran muy próximos entre sí, lo que minimiza la caída de presión en la línea de conexión. Fricción y Pérdidas Mecánicas en el Compresor : La fricción en los componentes del compresor, como los rodamientos y las superficies de deslizamiento, genera pérdidas de energía que afectan el rendimiento del ciclo. Según Cengel y Boles (2015), estas pérdidas mecánicas aumentan el consumo de energía del compresor, lo que resulta en una reducción de la eficiencia del ciclo de refrigeración. Ineficiencias en la Transferencia de Calor en el Condensador y Evaporado: En los intercambiadores de calor, la transferencia de calor no siempre es eficiente debido a factores como el ensuciamiento de las superficies y la falta de contacto adecuado entre los fluidos. A través de su estudio, Bhatia et al. (2018) indican que estas ineficiencias pueden resultar en que el refrigerante no se condense completamente o no absorba la cantidad total de calor necesaria, afectando así el rendimiento general del sistema. Pérdidas de Presión en el Sistema: Las pérdidas de presión en el sistema son comunes y pueden ser causadas por la fricción del fluido en las tuberías y componentes, así como por cambios en la dirección del flujo. Según Fernández y Espinosa (2017), estas pérdidas requieren que el compresor realice un mayor esfuerzo para mantener el ciclo, lo que incrementa el consumo de energía y disminuye la eficiencia del sistema. Expansión Irreversible : El proceso de expansión del refrigerante al pasar por la válvula de estrangulación es irreversible, lo que implica una pérdida de energía en forma de entropía. En un ciclo ideal, este proceso sería isentrópico. Sin embargo, como señala Çengel (2016), en un ciclo real, la expansión implica una caída de presión y una disminución de la temperatura, afectando negativamente el rendimiento del ciclo. Diferencias en el Diagrama T-s Real Respecto al Ideal : El diagrama T-s (temperatura- entalpía) de un ciclo real muestra variaciones en los procesos en comparación con el ciclo ideal. Según Raghavan (2015), el proceso de compresión real presenta un aumento en la entropía debido a la fricción y las pérdidas térmicas, resultando en un aumento de la temperatura del refrigerante más allá de lo esperado en un ciclo ideal. Las formas y extensiones de los procesos de condensación y evaporación también reflejan esta ineficiencia.
refrigerante no se condense o no absorba completamente el calor, reduciendo así la eficiencia del ciclo. 5.4. Expansión Irreversible Ciclo Ideal: Se asume que la expansión del refrigerante a través de la válvula de estrangulación es un proceso isentrópico, lo que significa que no hay pérdida de energía. Ciclo Real: La expansión es irreversible, lo que implica un aumento en la entropía y una pérdida de energía. Esto puede resultar en que el refrigerante no se expanda adecuadamente y, por lo tanto, no se logre la capacidad de refrigeración deseada. Este fenómeno se traduce en una menor eficiencia del sistema. 5.5. Pérdidas de Presión Ciclo Ideal: No se considera ninguna caída de presión a lo largo de las líneas de refrigerante, lo que permite un flujo sin pérdidas. Ciclo Real: Las caídas de presión en las líneas del sistema debido a la fricción y a las pérdidas de carga en componentes como válvulas y accesorios son inevitables. Esto requiere un mayor trabajo del compresor para mantener el flujo del refrigerante, lo que aumenta el consumo de energía y disminuye el Coeficiente de Rendimiento (COP) del ciclo. 5.6. Impacto en el Coeficiente de Rendimiento (COP) Ciclo Ideal: El COP es máximo en el ciclo ideal, ya que todos los procesos son reversibles y no hay pérdidas de energía. Ciclo Real: Las pérdidas mencionadas resultan en un COP significativamente menor en el ciclo real. Cuanto más se acerque el ciclo a las condiciones ideales (menores pérdidas), mayor será el COP. Las pérdidas de energía debido a la fricción, la ineficiencia en la transferencia de calor, las pérdidas de presión y la irreversibilidad durante la expansión impactan directamente en la capacidad de refrigeración del sistema y su eficiencia operativa.
6. APLICACIÓN INDUSTRIAL DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR
COMPRESIÓN DE VAPOR
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es ampliamente utilizado en diversas aplicaciones industriales debido a su eficiencia y versatilidad. A continuación, se describen algunas de las aplicaciones más relevantes en la industria: 6.1. Sistemas de Refrigeración Comercial Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son fundamentales en supermercados, tiendas de comestibles y restaurantes. Estos sistemas se utilizan para mantener la temperatura de productos perecederos, como alimentos y bebidas, en condiciones óptimas. Los refrigeradores y congeladores comerciales emplean este ciclo para asegurar la conservación de la calidad y seguridad de los productos. 6.2. Aire Acondicionado El ciclo de compresión de vapor es el principio de funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado, que son esenciales en edificios comerciales, industriales y residenciales. Estos sistemas enfrían el aire interior mediante la absorción de calor del ambiente y su expulsión al exterior, garantizando un ambiente confortable para trabajadores y clientes.
7.1. Uso de Refrigerantes Ecológicos La elección de refrigerantes es fundamental para mejorar la eficiencia del ciclo y minimizar el impacto ambiental. Se están investigando y utilizando refrigerantes de bajo potencial de calentamiento global (GWP) y no destructivos para la capa de ozono, como el hidrocarburo isobutano (R-600a) y los refrigerantes naturales como el amoníaco (R-717). Estos refrigerantes tienden a tener propiedades termodinámicas favorables y menores costos de operación. 7.2. Optimización del Diseño del Compresor Compresores de Alta Eficiencia: La implementación de compresores de tornillo y scroll puede aumentar la eficiencia del sistema. Estos compresores tienen menor pérdida de energía en comparación con los compresores de desplazamiento positivo tradicionales. Tecnología de Velocidad Variable: Los compresores de velocidad variable pueden ajustar su capacidad de compresión según la demanda, lo que reduce el consumo energético durante períodos de baja carga. 7.3. Mejora en la Transferencia de Calor Intercambiadores de Calor Eficientes: Utilizar intercambiadores de calor de alta eficiencia, como los de tubos de aleta o de placas, puede mejorar la transferencia de calor en el condensador y el evaporador, reduciendo la caída de temperatura y aumentando el rendimiento del sistema. Aislamiento Adecuado: Mejorar el aislamiento térmico de las tuberías y componentes del sistema ayuda a minimizar las pérdidas de calor, lo que mejora la eficiencia global. 7.4. Uso de Sistemas de Recuperación de Calor La recuperación del calor residual del proceso de condensación puede ser utilizada para precalentar el agua o para otros procesos dentro de la instalación. Esto no solo mejora la eficiencia energética del sistema, sino que también reduce el consumo de energía adicional. 7.5. Uso de Tecnología de Aumento de Presión Incorporar sistemas que aumenten la presión del refrigerante antes de la compresión puede mejorar la eficiencia del ciclo. La compresión a alta presión requiere menos trabajo, lo que puede traducirse en un aumento del Coeficiente de Rendimiento (COP).
8. BIBLIOGRAFÍA
Arora, C. P. (2014). Refrigeration and air conditioning. McGraw-Hill Education. Bhatia, S., Sharma, A., & Gupta, A. (2018). Heat transfer enhancement in refrigeration systems: A review. International Journal of Refrigeration, Çengel, Y. A. (2016). Thermodynamics: An engineering approach (8th ed.). McGraw-Hill Education. Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2019). Termodinámica: Análisis de energía y propiedades (8.a ed.). McGraw-Hill Education. Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer (6th ed.). Wiley. Fernández, M., & Espinosa, A. (2017). Pérdidas de presión en sistemas de refrigeración. Revista de Energía, 14(2), 97–104. Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (2014). Fundamentals of engineering thermodynamics (8th ed.). Wiley. Raghavan, V. (2015). Heat and mass transfer: Fundamentals and applications (5th ed.). McGraw-Hill Education.
