Imaginemos que estamos ante un circuito frigorífico que funciona con una BP de 2 bares absolutos
Si la BP es de 2 bares absolutos, la meseta de evaporación se produce pues a -10 oC.
Si consideramos el punto A, al nivel del bulbo cuya temperatura es de -3 oC, es como decir que en A el sobrecalentamiento es de: -3 - (-10) = 7 oC.
Pero entre A (bulbo de la válvula de expansión) y B (aspiración del compresor), el fluido continúa calentándose.
La seguinte imagen muestra el trazado de los puntos A y B. La recta que une los puntos A y B representa la tubería de aspiración.
...
Constatamos que el valor del sobrecalentamiento en B es de: 5 -(-10) = 15oC .
Diremos que el sobrecalentamiento en la aspiración es de 15 oC
Entre A y B, los vapores se han sobrecalentado: 5 - (-3) = 8 oC
La diferencia de entalpía entre B y A corresponde al calor (Qa) tomado por el vapor en la tubería de aspiración.
Qa = hB - hA = 405-398 = 7 kJ/kg de vapor circulando.
Qa = Calor en aspiracion
Por otro lado, leemos un volumen específico del vapor en la aspiración de 0,107 m3/kg.
La compresion
Al nivel del compresor, medimos:
- Presión aspiración: 1 bares (o sea 2 bares absolutos) y una meseta de evaporación a -10oC.
- Temperatura aspiración: 5oC
- Presión de descarga: 9 bares (o sea 10 bares absolutos) y una meseta de condensación a 39,39 oC.
- Temperatura de descarga: 60 oC
Observemos la seguinte imagen:
Durante la compresión, los vapores siguen la curva S y el punto de expulsión se sitúa en la intersección de esta curva con la isobara de la presión de descarga, 10 bares.
Podemos leer la temperatura de expulsión (o sea 60 oC) sobre la isoterma que pasa por el punto C.
La diferencia de entalpía entre la descarga y la aspiración (puntos C y B) mide la energía (Wth) gastada para la compresión (la energía absorbida por el motor será, evidentemente, mucho más importante a causa de los diferentes rendimientos).
Wth = hC- hB = 441 - 405 = 36 kJ/kg de vapor comprimido.
El valor del sobrecalentamiento debido a la compresión es de: 60 - 5 = 55 oC.
Observación: Veremos más adelante que, en la práctica, el fluido no sigue necesariamente la curva S durante la compresión. Se trata aquí de la generalidad.
La Descarga
Las medidas tomadas a la entrada del condensador indican
Una presión sensiblemente idéntica a la tomada al nivel del compresor (veremos más adelante que en este lugar la presión es de 0,1 a 0,3 bares inferior a la tomada en la expulsión del compresor a causa de las pérdidas de carga).
Una temperatura más baja que la medida en la salida del compresor. Aquí la diferencia es de 10oC. Esta disminución de la temperatura de los gases es debida a un intercambio térmico del fluido hacia el ambiente, generalmente más fresco (la tubería de descarga no es calorifugada)
La seguiente imagen muestra la evolución de los vapores en la tubería de descarga.
El punto D corresponde a la entrada en el condensador (10 bares, 50 oC).
El segmento CD corresponde a la tubería de descarga (bajada de la temperatura de 60 oC a 50 oC).
El dessobrecalentamiento en la tubería de descarga tiene por valor:
El calor disipado por la tubería de descarga es igual a la diferencia entre hC y hD, o sea:
hC- hD = 441 - 430 = 11 kJ/kg de vapor.
Condensacion
El condensador se encarga de ceder calor al aire ambiente (o al agua en otros casos).
Veamos más de cerca lo que ocurre en el condensador:
Al nivel del condensador, conviene distinguir 3 zonas: dessobrecalentamiento (DE),condensación (EF) y subenfriamiento (FG).
Para simplificar, consideremos que la presión permanece constante: 10 bares absolutos.
Los vapores sobrecalentados, al entrar en el condensador (punto D), se enfrían para comenzar a condensarse en el punto E.
El cambio de estado de agregación se hace progresivamente partiendo de E para obtener 100 % de líquido en el punto F.
Una vez el fluido totalmente condensado, el líquido sigue enfriándose entre F y G: es el subenfriamiento.
La seguinte image muestra el trazado sobre el diagrama entálpico de la evolución del fluido refrigerante en el condensador.
La diferencia de entalpía entre E y F representa el calor latente (lv) del R 134a a 39oC, o sea:
lv = 419- 255 = 164 kJ/kg
El punto G (34 oC) corresponde al líquido que sale del condensador, y el subenfriamiento del líquido en el condensador está representado por el segmento FG.
El calor total evacuado en el condensador (Qk) viene dado por la diferencia de entalpía: hD - hG.
Qk = hD - hG = 430- 247 = 183 kJ/kg que pasan por el condensador
El liquido
El fluido condensado entra en el "recipiente de líquido" y vuelve a irse hacia la válvula de expansión por la "tubería de líquido"
A la entrada de la válvula de expansión (H), medimos una presión sensiblemente idéntica a la anterior (G) 10 bares (para hacer la explicación más fácil es mejor olvidar, por el momento las perdas de carga.
Por el contrário la temperatura ha disminuido: vemos por el ejemplo 25ºC
El intercambio de calor entre la tubería de líquido a 34 oC y el aire ambiente (más frío) ha provocado pues un subenfriamiento suplementario, o sea un subenfriamiento total de:
39-25 = 14 oC
(39 oC corresponde a la temperatura de condensación)
La válvula de expansion
En primer lugar, hay que recordar que el papel de la válvula de expansión es el de regular el caudal del fluido que atraviesa el evaporador
La masa de líquido que inyecta debe corresponder exactamente a la masa de vapor que sale del evaporador. Siempre es así.
Si la válvula de expansion deja pasar demasiado líquido, el evaporador desborda y el fluido no evaporado es encaminado hacia el compresor que puede ser deteriorado por un golpe de líquido. Si no deja pasar lo suficiente, el evaporador está subalimentado y la potencia frigorífica disminuye.
La válvula de expansión ofrece al líquido un paso muy estrecho (a veces inferior a 1 mm de diámetro); desemboca, del lado del evaporador, en una tubería de diámetro más importante, por lo tanto en un volumen más grande que el ocupado por el líquido antes de cruzar por la válvula de expansión.
Esto provoca una fuerte caída de presión. Por ejemplo pasa de 10 a 2 bares.
O sea un "delta P " de: Dp = 10 - 2 = 8 bares.
El fluido se expande en el gran volumen ofrecido por el evaporador y, para ocupar todo el espacio, se evapora parcialmente
Durante el rápido recorrido por la válvula de expansión, no hay intercambio de calor con el exterior pues es demasiado rápido y la superficie ofrecida por la válvula de expansión es insignificante; además no está expuesto a ninguna fuente de calor; por lo tanto, la entalpía del fluido es la misma a la entrada y a la salida de la válvula de expansión.
Como no hay aportación de calor durante este tiempo tan corto, el líquido, para evaporarse, sólo puede cogerse a si mismo el calor necesario para su evaporación. Es así como una parte del líquido se evapora para enfriar el conjunto.
El hecho de retirar calor al líquido provoca su enfriamiento, de ahí la bajada de la temperatura del fluido a -10oC.
Esta temperatura de -10ºC es llamada: "temperatura de evaporación" (Te) .
El trazado en el diagrama, segmento vertical H I, muestra que se trata de una transformación a entalpía constante: 234 kJ/kg
El punto I nos informa sobre el título de la mezcla (x) que sale de la válvula de expansión.
Aquí, el valor de x es 0,23, lo que quiere decir que al paso por la válvula de expansión, 23 % de la masa del líquido se ha evaporado, o sea 230 gramos/kg.
Esto permite decir que, en nuestro ejemplo, 23 % de los vapores aspirados por el compresor sólo han servido para el enfriamiento del líquido. El calor absorbido por el evaporador producirá el 74 % de vapor restante.
Si ha habido 230 gramos de fluido evaporado, deducimos que quedan 770 gramos en estado líquido; por consiguiente, la producción frigorífica sólo podrá hacerse con esos 770 gramos de líquido restante.
El Evaporador
El fluido está ahora en el evaporador y va a evaporarse a lo largo de éste.
La temperatura de evaporación está, evidentemente, en función de la presión : aquí, una presión de 2 bares absolutos implica una temperatura de evaporación (Te) de -10 oC en la salida de la válvula de expansión (punto 1).
La evaporación del líquido se realiza gracias al calor cedido por el medio a enfriar: aquí, el aire cede parte de su calor y se enfria de 2 a -4ºC
El calor cedido por el aire es enteramente absorbido por el fluido refrigerante.
Observe que la temperatura permanece constante a -10 oC mientras queda al menos una molécula de líquido, hasta el punto J Es sólo a partir del punto J que los vapores van a comenzar a recalentarse para alcanzar el bulbo en A.
La absorción de calor en el evaporador provoca la evaporación del líquido, pero también un aumento de su entalpía. En el ejemplo citado, pasa del punto I (234 kJ/kg) al punto A (398 kJ/kg), permaneciendo la presión constante
La producción frigorífica específica viene dada por la diferencia de entalpía entre los puntos A y l. O sea:
Qom = hA-hl
Qom = Producion frigorifica
Qom = 398 - 234 = 164 kJ/kg de fluido circulando por el evaporador.
Como los 164 kJ/kg representan el calor intercambiado al nivel del evaporador, podemos calificarlo de "producción frigorífica neta" pues es la producción frigorífica realmente utilizada para enfriar el medio ambiente.
Pero, entre el bulbo (punto A) y la aspiración del compresor (punto B), los vapores siguen calentándose. La producción frigorífica especifica (Qom) viene pues dada por la diferencia entre las entalpías hB y hI.
Qom = hB - hI = 398 - 234 = 164 kJ/kg
De hecho, la producción frigorífica bruta es la suma del calor intercambiado en el evaporador (y efectivamente quitado al ambiente), más el intercambiado en la tubería de aspiración (que no tiene efecto útil).
El punto J corresponde a la evaporación de la última gota de líquido y coincide con la curva de saturación.
El segmento JA representa el sobrecalentamiento en el evaporador. El segmento AB representa el sobrecalentamiento en la tubería de aspiración.
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