Generalidades sobre Ciclos frigorificos

1. GENERALIDADES SOBRE CICLOS FRIGORIFICOS

Se denominan ciclos frigoríficos a los que se describen con el objeto de transferir calor de una fuente o un cuerpo, a menor temperatura, a otra a mayor temperatura y ello se logra en las máquinas frigoríficas de compresión entregando trabajo, mientras que en las de absorción se logra transportando simultáneamente calor de una fuente caliente a otra fría.  

Una instalación en que se describe un ciclo frigorífico puede tener dos finalidades diferentes y en cada uno de los casos se le suele dar dos denominaciones también diferentes.  

Si la finalidad de la instalación es mantener a baja temperatura la fuente fría, se la denomina máquina frigorífica.  

Si en cambio el equipo tiene por finalidad la entrega de calor a una fuente o lugar, o sea el efecto de calefacción, se la denomina bomba de calor.  

El esquema correspondiente a la máquina frigorífica o bomba de calor que opera con dos fuentes a temperaturas T1 y T2, siendo T1 > T2 es el indicado en la figura 1.  La máquina quita la cantidad de calor Q2 de la fuente a temperatura T2 y entrega a la fuente a temperatura T1 la cantidad de calor Q1 , requiriendo para su funcionamiento que se le entregue el trabajo mecánico L.  [pic 1]

De acuerdo con el Primer Principio de la Termodinámica, dado que en la maquina se ha descripto un ciclo, la energía que sale de la máquina debe ser igual a la que entra en la máquina, o sea deberá  cumplirse la igualdad:  

   Q1  Q2  L                [1]

         Fig. 1.- Ideograma máquina frigorífica

Si la instalación tiene por finalidad refrigerar, se dará como valor indicativo de su calidad o eficiencia el llamado coeficiente de efecto frigorífico, que será el cociente entre el efecto útil de la instalación Q2, o sea el calor quitado a la fuente fría, y la energía que debe suministrársele al equipo para describir el ciclo, el trabajo L.  Es decir:

Q2                                                             [2]                                                              εf  [pic 2]

L

Si en cambio el equipo tiene por objeto la entrega de calor a la fuente caliente, o sea un efecto de calefacción, el valor indicativo de su calidad o eficiencia será llamado coeficiente de efecto calorífico, que será el cociente entre el efecto útil, que ahora será Q1, es decir el calor entregado a la fuente caliente, y la energía que consume al describir el ciclo, que sigue siendo el trabajo L. Es decir:  

Q1                                                            [3]                                                              εC  [pic 3]

L

La [2] y la [3] pueden también escribirse, teniendo en cuenta la [1] del siguiente modo:  

Q2             [4]                    εC          Q1           [5]                                     εf  [pic 4][pic 5]

        Q1   Q2        Q1   Q2

Para determinadas fuentes, los máximos valores de estos coeficientes corresponderán al caso en que el ciclo descripto en la instalación sea reversible. Si suponemos que dicho ciclo es el inverso de Carnot, tendremos la representación que indica la figura 2, en el diagrama entrópico.

           Si denominamos S, a la variación de la entropía del fluido intermediario, en la isoterma    1-2, entonces podemos expresar las cantidades de calor mediante:  [pic 6]

        Q1  T1 . S       y     Q2  T2 . S

        T         

                                             [6]

                                                                  T1                                                     [7]  εC  

        S        T1   T2         

        Fig. 2. Ciclo de Carnot inverso          

Dadas las temperaturas entre las que se emplean estos equipos, para ambos coeficientes resultaran valores mayores que la unidad y es por esta razón que se los denomina coeficientes, en lugar de rendimientos.

CICLOS FRIGORÍFICOS DE COMPRESIÓN 

A fin de poder acercarnos en la realidad al ciclo ideal de Carnot será conveniente utilizar como fluido intermediario, que se llamará fluido frigorígeno (o sea generador de frío) a una sustancia que sea condensable a las temperaturas que deseamos obtener en la instalación (T1 y T2). De este modo se tendrán las transformaciones isotérmicas haciendo cumplir a dicho fluido cambios de estado de líquido a vapor o viceversa a presión constante. El fluido a emplear será conveniente que realice los cambios de estado a las temperaturas T1 y T2 a presiones mayores que la atmosférica a fin de que no existan en la instalación equipos que deban funcionar con un vacío relativo, pues esto implicaría el riesgo del ingreso de aire al circuito que ni se evaporaría ni se condensaría. Dichas presiones de cambio de fase no convendrá que sean muy elevadas por el aumento del costo de la instalación y del de mantenimiento. Será conveniente asimismo que los vapores del fluido empleado no sean tóxicos, dada la posibilidad de fugas y consiguiente contacto con las personas.  

Un fluido que reúne casi todos los requisitos es el amoniaco, que aun se utiliza para instalaciones frigoríficas industriales, pero sus vapores son tóxicos; por esta razón en instalaciones de tipo domestico se lo ha reemplazado por freones que no tienen ese inconveniente.  

Veamos ahora el esquema de la instalación requerida para cumplir un ciclo Carnot inverso con un vapor.  

En la figura 3 se ha representado el ciclo en un diagrama entrópico.  

Los procesos a cumplir son:  

1. 1-2. El fluido se vaporiza. En el estado 1 tenemos un vapor húmedo con un título menor que en 2. Para realizar este proceso se requerirá un evaporador (Ev).  En este proceso el fluido absorbe el calor Q2.  
2. 2-3. Es una compresión adiabática. El fluido aumenta su temperatura porque aumenta su presión. Para realizar este proceso debemos instalar un compresor al cual deberá suministrársele un trabajo LC.  
3. 3-4. Es un proceso de condensación, el fluido pasa de vapor saturado en 3 a líquido saturado en 4, a igual temperatura y presión. Para realizar este proceso se requerirá un condensador (Cond.), y el fluido entregará la cantidad de calor Q1 a la temperatura T1.  
4. 4-1. Es una expansión adiabática reversible, durante la cual el fluido al disminuir la presión se evapora parcialmente y disminuye su temperatura, quedando finalmente como vapor húmedo en el estado 1.

[pic 7]

         Fig. 3.- Diagrama T-S e instalación Ciclo de Carnot inverso

Para realizar este proceso debería instalarse un expansor (E), obteniéndose en el mismo un trabajo LT. El esquema de la instalación sería el indicado en la figura 3.  

El trabajo producido en la expansión disminuiría el trabajo requerido para el funcionamiento de la planta, ya que solo sería necesario suministrarle L = LC – LT.  

Pero en la realidad nunca se coloca un expansor en la instalación, ya que en primer lugar en el caso real la expansión no será reversible, sino irreversible y esto reduciría el trabajo obtenido y a demás las presiones de entrada y salida del expansor no serían constantes por no serlo las temperaturas T1 y T2 de condensación y evaporación y sería mecánicamente muy difícil la regulación de la expansión.  

...