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• Bernardo Morales

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• Propiedades termodinámicas.

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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Unidad

FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA

CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

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Diagrama Presión-Entalpía

MÓDULO

Máquinas y Equipos Frigoríficos

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor del Módulo: Javier Cueli Llera

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Laura Fernández Menéndez Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: en trámite ISBN Obra Completa: en trámite Depósito Legal: en trámite Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

Unidad

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Diagrama Presión-Entalpía

Sumario general Objetivos ............................................................................................

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Conocimientos .....................................................................................

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Introducción.........................................................................................

6

Contenidos generales............................................................................

6

Principio de refrigeración......................................................................

7

Diagrama de Mollier o diagrama p-h..................................................... 18 El ciclo frigorífico ................................................................................. 25 Recalentamiento y subenfriamiento ...................................................... 38 Resumen de contenidos ........................................................................ 52 Autoevaluación .................................................................................... 54 Respuestas de actividades ..................................................................... 56 Respuestas de autoevaluación............................................................... 61 Diagramas de Mollier (R-22) ................................................................ 64 Diagramas de Mollier (R-134a) ............................................................ 68 Diagramas de Mollier (R-410a) ............................................................ 72

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Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos




Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

 Enumerar las distintas partes o elementos que componen una instalación frigorífica,

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describiendo la función que realiza cada uno de ellos, relacionándolos con el ciclo termodinámico.  En un supuesto práctico de un sistema frigorífico en funcionamiento y con su do-

cumentación técnica: • Obtener datos de las variables de funcionamiento y de las características constructivas del condensador y evaporador para determinar las potencias caloríficas. • Trazar el ciclo sobre el diagrama p-h correspondiente.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOSS • Diagrama frigorífico. • Diagrama presión-entalpía de Mollier. • Subenfriamiento y recalentamiento. • Balance energético sobre el diagrama frigorífico.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS • Identificación sobre un diagrama frigorífico de distintos puntos: isobaras, isotermas, etc. • Comparación de distintos ciclos frigoríficos con recalentamiento y subenfriamiento para ver la influencia en el funcionamiento de la máquina. • Trazado de distintos ciclos frigoríficos a partir de medidas reales o simuladas • Realización de cálculos sencillos sobre diagramas frigoríficos.

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Introducción

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

En la unidad anterior has aprendido cómo se transmite el calor y las propiedades básicas de las sustancias. En ella has visto que cada sustancia, a una determinada presión, tiene unas propiedades diferentes: temperatura, volumen específico, etc. El problema que surge ahora es cómo condensamos toda esa información.

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Imagínate lo engorroso que sería encontrarte para cada valor de presión una tabla con todas las propiedades. Se necesitaría un libro para cada sustancia. En esta unidad veremos cómo se agrupan todas las propiedades en un gráfico, lo cuál es muy útil y cómodo para realizar cálculos. Accedemos a ellos de forma visual y rápida. También vamos a conocer mejor en qué consiste la refrigeración, que es el campo profesional al que te vas a dedicar; y aprenderemos la utilidad de los gráficos de propiedades de refrigerantes, al dibujar sobre ellos los ciclos de refrigeración. Todos estos conocimientos te serán muy útiles más adelante, por ejemplo a la hora de saber si hay una avería, midiendo valores y comparándolos con los que se deberían obtener con un funcionamiento correcto.

Contenidos generales A lo largo de esta unidad aprenderás en qué consiste un proceso frigorífico convencional o con recalentamiento y subenfriamiento, qué es un diagrama de Mollier, cómo se puede representar en él un ciclo y obtener valores para realizar más cálculos.

Unidad

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Diagrama Presión-Entalpía

Principio de refrigeración ∂Has pensado alguna vez cómo funciona la nevera? El principio es muy simple: cuando hervimos agua en un recipiente absorbemos calor de una fuente de energía. ∂Por qué no utilizar este procedimiento para enfriar, por ejemplo, el aire de una habitación? Evidentemente no podríamos utilizar agua porque el agua hierve a 100 °C y el aire se encuentra a, supongamos, 25 °C. Si en vez de utilizar agua empleáramos otro líquido que pueda hervir a una temperatura igual o inferior a 25 °C, éste absorbería calor del aire y, por lo tanto, lo enfriaría. En este capítulo explicaremos cómo se lleva a cabo el proceso de enfriamiento o refrigeración comercial.

Sistemas de refrigeración Entendemos por refrigeración el proceso de reducir y mantener la temperatura de un espacio o material por debajo de la temperatura del entorno. A veces se habla indistintamente de refrigerar y climatizar, pero son conceptos diferentes. La climatización es el proceso de tratamiento del aire para controlar simultáneamente la humedad, limpieza, distribución, así como la temperatura para cumplir los requisitos del espacio climatizado. En realidad, la climatización forma parte de la refrigeración. Vamos a estudiar a continuación cómo podemos refrigerar un espacio aplicando inicialmente procedimientos elementales para llegar finalmente al proceso continuo de refrigeración.

o Refrigeración mediante agua enfriada Supongamos que hay 1 kilogramo de agua a 0 °C en un recipiente abierto dentro de un espacio aislado con una temperatura inicial de 25 °C. Durante cierto tiempo, el calor fluirá desde el espacio cerrado a 25 °C al agua a 0 °C, por lo que disminuirá la temperatura del entorno y aumentará la del agua, hasta que se equilibren, finalizando entonces el proceso de transferencia de calor.

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Este método de refrigeración presenta algunas desventajas:  La temperatura mínima es la del agua enfriada. Este hecho sólo podría darse de for-

ma teórica ya que la cantidad de agua necesaria sería muy grande.  La refrigeración no es continua. Para lograrlo habría que volver a enfriar el agua.

20 0C , agua, 1 kg

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

0 0C , agua, 1 kg

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Espacio a 25 0C

Calor

Espacio a 20 0C

Fig. 1: Refrigeración mediante agua.

o Refrigeración mediante hielo Supongamos ahora que en el recinto a 25 °C tenemos 1 kilogramo de hielo a 0 °C. Esta vez la temperatura del hielo no cambia al ir absorbiendo el calor del espacio que le rodea, sino que pasa de estado sólido a líquido, permaneciendo constante la temperatura, ya que el bloque de hielo absorbe calor latente correspondiente al cambio de estado. El proceso de refrigeración continúa hasta que todo el hielo se funde.

0 0C , hielo, 1 kg Espacio a 25 0C

0

C , agua, 1kg

Calor

Espacio aEspacio 200C a 15 0C

Sin más transferencias de calor

Drenaje

Fig. 2: Refrigeración mediante hielo.

Si el agua continuase en la habitación, entonces el proceso de refrigeración continuaría hasta que se igualasen las temperaturas. Ahora el agua absorbería calor sensible, ya que estaría aumentando su temperatura.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

Las desventajas en este caso son:  No es posible tampoco obtener bajas temperaturas.  Es necesario reabastecer cada poco el hielo. No hay continuidad.

o Sistema de refrigeración mecánico Estos métodos tradicionales vistos anteriormente no satisfacían las necesidades de los usuarios. Por eso surgieron otros mecanismos más modernos como el sistema de refrigeración mecánico. Veremos a continuación cómo funciona y cuáles son sus elementos. Un espacio aislado se puede refrigerar adecuadamente permitiendo que se evapore un refrigerante en un recipiente con salida al exterior, solucionando así el problema de la continuidad del elemento enfriador. Esto lo solventamos utilizando refrigerantes químicos, de los que hablaremos en la próxima unidad. Continuando con el ejemplo anterior, y tomando como refrigerante el R-22, podríamos tener un sistema como el representado en la figura 3. En ella observamos un recipiente que contiene R-22 en estado líquido, y que se encuentra en un espacio cerrado cuya temperatura es de 25 °C. Concretamente este refrigerante presenta la propiedad de que la temperatura de saturación es de -40,8 °C a la presión atmosférica. Esto quiere decir que, a 25 °C, este líquido se va a transformar en vapor, absorbiendo calor del espacio que se quiere enfriar en el proceso.

Ventilación

Presión Atmosférica

Calor R22 Espacio a 25 0C

-40,8 0C 2 1,03 kgf/cm abs

Fig. 3: Refrigeración mediante refrigerante.

Como la temperatura del líquido sigue constante durante el proceso de evaporación, la refrigeración continúa hasta que se evapora todo el líquido. En principio, si no almacenamos este vapor, se cede a la atmósfera. Desde el punto de vista industrial no es posible dejar que el refrigerante se escape a la atmósfera. Por eso los circuitos de refrigeración son cerrados, precisamente para impedir que el vapor escape a la atmósfera y se pierda.

En un circuito de refrigeración, el recipiente en el que se evapora el refrigerante se llama evaporador.

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La temperatura a la que se evapora el refrigerante líquido en el interior del evaporador puede controlarse actuando sobre la presión que el vapor ejerce sobre dicho líquido. Esto puede hacerse, por ejemplo, colocando una válvula manual en la salida del recipiente de refrigerante, tal como se muestra en la figura 4.

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Ajustando esta válvula es posible controlar la presión del vapor sobre el líquido, pudiendo vaporizar el refrigerante a cualquier temperatura que se encuentre comprendida entre la de saturación (-40,8 °C) y los 25 °C del ambiente.

Válvula manual

Calor R22 Espacio a 25 0C

-40,8 0C / 25 0C 1,03 / 10,6 kgf/cm2 abs

Fig. 4: Válvula manual en el proceso de refrigeración.

Para que haya continuidad en la evaporación del líquido en el evaporador, es necesario suministrar refrigerante líquido continuamente al evaporador. Para ello podríamos utilizar una válvula de flotador, tal como se muestra en la figura 5. Su función es mantener el nivel de líquido constante, reponiendo exactamente el que se pierde por evaporación.

Válvula de flotador

Cilindro

Fig. 5: Válvula de flotador en el proceso de refrigeración.

El mecanismo utilizado para regular el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador se denomina válvula de expansión.

No es práctico ni barato, además de estar prohibido, dejar escapar el refrigerante a la atmósfera, por eso hemos de reutilizarlo de nuevo. Para volver a utilizar el refrigerante en el evaporador es necesario que entre en estado líquido, y puesto que dicho equipo libera el refrigerante en forma de vapor, obviamente debemos convertirlo en líquido antes de entrar.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

El proceso de conversión de vapor a líquido se denomina condensación, como ya sabemos. Durante este proceso necesitamos un medio de enfriamiento √generalmente será aire o agua√ sobre el que ceder calor, y para ello es necesario que el refrigerante en estado de vapor se encuentre a una temperatura superior a la del medio de enfriamiento. Recordemos que la energía calorífica pasa del cuerpo más caliente al cuerpo más frío. Para conseguir realizar este proceso debemos aumentar previamente la presión del refrigerante en estado de vapor hasta un valor tal que la temperatura de condensación sea superior a la del medio de enfriamiento (por ejemplo, en un condensador de aire suele utilizarse una diferencia de unos 15 K, es decir, que para una temperatura ambiente de 20 °C, la temperatura de condensación será de 35 °C).

El proceso que aumenta la presión y la temperatura del refrigerante, aportándole calor, se denomina compresión, y tiene lugar en el compresor.

Una vez que hemos conseguido llevar el refrigerante en estado de vapor a una temperatura superior a la del medio de enfriamiento, tiene lugar el proceso de condensación, durante el cual el refrigerante cede calor al medio de enfriamiento.

El equipo donde tiene lugar el proceso de condensación del refrigerante se denomina con condensador.

El refrigerante que fluye del condensador ya está totalmente condensado y listo para circular por el evaporador de nuevo. Así hemos completado el ciclo de refrigeración.

Compresor

Calor Condensador

Fig. 6: Condensador y compresor en el ciclo frigorífico.

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La máquina frigorífica de compresión

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La figura siguiente muestra un esquema de una máquina frigorífica donde se puede ver el funcionamiento de un circuito completo de refrigeración mecánica, tal como el que hemos ido estudiando hasta ahora.

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En el esquema puede verse cómo el refrigerante líquido se dirige hacia el evaporador en cuyo interior se transforma en vapor a expensas de absorber calor del aire exterior. De este modo se consigue enfriar el recinto, que es lo que se pretende. El caudal de refrigerante a dicho evaporador se controla en la válvula de expansión en función de la temperatura de salida del aparato. El vapor pasa seguidamente por el compresor donde se eleva su presión hasta el punto en que la temperatura de condensación sea tal que permita ceder calor al medio de refrigeración (en este caso aire), cediendo calor a éste y condensándose así durante su paso por el condensador.

Aire de salida

Aire de salida

CONDENSADOR VÁLVULA DE EXPANSIÓN (Control de flujo)

V entilador

EVAPORADOR

Receptor Ventilador

Vapor Líquido

Aire de entrada

COMPRESOR

Aire de entrada (medio de enfriamiento)

Fig. 7: Esquema de un circuito de refrigeración.

Una máquina frigorífica con los cuatro elementos mencionados anteriormente podría funcionar, pero en la práctica incorporan otros dispositivos con el fin de mejorar su funcionamiento. Los veremos en unidades posteriores. Las tuberías que conectan estos dispositivos se denominan de la siguiente forma:

Unidad

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Diagrama Presión-Entalpía

 Línea de líquido: transporta el refrigerante líquido desde el condensador a la válvu-

la de expansión.  Línea de aspiración: conduce el vapor de baja presión desde el evaporador a la en-

trada de aspiración del compresor.  Línea de descarga: proporciona vapor de alta presión y temperatura desde la des-

carga del compresor al condensador. Estas tres líneas pueden verse en la figura siguiente. Aunque en la figura podría dar la impresión de que existe otra línea que une la válvula de expansión con el evaporador, en la realidad no existe tal y como aparece en el dibujo, ya que la válvula de expansión debe situarse tan cerca como sea posible de la entrada del evaporador.

Condensador LÍNEA DE LÍQUIDO LÍNEA DE DESCARGA EL REFRIGERANTE CEDE CALOR AL MEDIO DE ENFRIAMIENTO, AIRE O AGUA

Compresor Válvula expansión

Evaporador

EL REFRIGERANTE ABSORBE CALOR DEL MEDIO A ENFRIAR

LÍNEA DE ASPIRACIÓN

Fig. 8: Líneas de una máquina frigorífica.

El color en el que se han dibujado las tuberías no se ha elegido al azar. La línea de desdescarga suele dibujarse en color rojo para indicar que es en dicha tubería donde se alcanzas las temperaturas más altas del circuito. Como veremos en el capítulo tres de esta unidad, el refrigerante puede alcanzar temperaturas superiores a 60 °C. La línea de aspira aspiración se dibuja en color azul por ser la zona más fría del circuito, junto con el evaporador. Las temperaturas del refrigerante en esa zona dependen de la aplicación, pero pueden ser, por ejemplo, de -30 °C para una máquina de congelados a -18 °C. La línea de líquido suele dibujarse en un color próximo al rojo, ya que la tubería se encontrará caliente, pero no tanto como en la línea de descarga. Para un condensador refrigerado por aire se puede aceptar como valor indicativo para esa tubería unos 35 - 40 °C.

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o Lado de baja presión y lado de alta Un sistema de refrigeración se puede dividir en dos zonas según la presión ejercida por el refrigerante. Estas zonas quedan divididas por la válvula de expansión y el compresor:  Lado baja presión: consta del evaporador y la línea de aspiración. La presión que

ejerce el refrigerante en estas partes es la baja presión a la que se vaporiza en el evaporador, y que se denomina presión de aspiración o presión de evaporación.

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 Lado alta alta presión: consta de la línea de descarga, el condensador y la línea de lí-

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quido. La presión ejercida por el refrigerante en esta parte del sistema es la alta presión a la que se condensa el refrigerante en el condensador, también llamada alta presión, presión de condensación o presión de descarga. Los puntos de división entre los lados de alta y baja presión del sistema son:  La válvula de expansión, donde la presión se reduce desde la de condensación a la

del vapor.  Las válvulas de aspiración y descarga del compresor las cuales separan el lado de

baja del lado de alta presión.

LADO BAJA PRESIÓN

LADO ALTA PRESIÓN

VÁLVULA EXPANSIÓN

Reduce presión

Línea de líquido CONDENSADOR

EVAPORADOR

Línea de aspiración

Línea de descarga

COMPRESOR Aumenta presión

Fig. 9: Lados de baja y alta presión.

Unidad

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Diagrama Presión-Entalpía

o Procesos en el ciclo frigorífico El refrigerante, al circular por el sistema, pasa por una serie de procesos que en su conjunto podemos denominar ciclo frigorífico. Estos procesos se denominan:  Expansión.  Evaporación.  Compresión.  Condensación.

A. Expansión El proceso de expansión ocurre entre el condensador y el evaporador. El refrigerante líquido sale del condensador a alta presión y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a través de la válvula de expansión. Al cruzar esta válvula, la presión del líquido se reduce a la presión de evaporación, para que la temperatura de saturación del refrigerante que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del espacio refrigerado. Una parte del líquido se evapora al atravesar la válvula de expansión con el objetivo de bajar la temperatura del resto de refrigerante líquido hasta la temperatura de evaporación.

B. Evaporación En el evaporador, el líquido se evapora a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el medio de enfriamiento que atraviesa el evaporador. Todo el refrigerante se evapora completamente aquí, pudiendo recalentarse al final del mismo.

C. Compresión Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación se extrae por la línea de aspiración desde el evaporador hasta la entrada del compresor, en cuyo interior aumentan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. El vapor a alta temperatura y a alta presión se envía al condensador por la línea de descarga.

D. Condensación El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde libera el calor hacia el medio de enfriamiento (aire o agua). En la liberación de calor, el refrigerante se condensa y, seguidamente, disminuye su temperatura. El líquido enfriado llega a la válvula de expansión y, una vez allí, está listo para comenzar un nuevo ciclo.

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o Funcionamiento de la máquina frigorífica Los cuatro procesos del ciclo frigorífico se pueden representar en el diagrama PresiónEntalpía como veremos en el próximo capítulo. Todos ellos los podemos resumir en la figura siguiente, en donde intentamos explicar de forma intuitiva el funcionamiento de la máquina.

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3 °C

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27 °C

1 °C

Válvula expansión

2 °C

5 °C

-1 °C -10 °C

25 °C

Evaporador

1 °C -4 °C 3 °C

R 134a

8,5 bar 8,5 bar

50 °C

30 °C 37 °C

1,0 bar -2 °C

Condensador

Compresor

Fig. 10: Funcionamiento de una máquina frigorífica. (Danfoss)

El refrigerante (en este caso R-134a) entra en el evaporador a una temperatura de -10 °C, que es inferior a la del espacio que queremos enfriar. Los ventiladores situados en el evaporador hacen pasar a través de éste el aire de la cámara, que se encuentra a una temperatura superior a la de evaporación, cediendo calor al refrigerante y enfriándose. El aire frío sale del evaporador (-1 °C) mezclándose con el aire caliente del interior de la cámara. El aire caliente entra de nuevo al evaporador continuando el proceso hasta que se alcance la temperatura deseada. El refrigerante, al circular por el evaporador, absorbe calor latente evaporándose. La temperatura del refrigerante puede aumentar, como en este caso, hasta -2 °C al final de la línea de aspiración. Ahora tendremos vapor recalentado y el refrigerante habrá absorbido calor sensible.

Unidad

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Diagrama Presión-Entalpía

El compresor comprime el refrigerante aportándole calor hasta alcanzar la presión de alta (8,5 bar) y la temperatura de descarga (50 °C) que, como puedes ver, es muy elevada.

∑ Si tocas la tubería tubería de descarga del compresor con la mano puedes su sufrir una quemadura !

El refrigerante pasa ahora por el condensador donde cede calor al medio de enfriamiento, en este caso aire. Observa que el aire procedente del exterior se encuentra a 25 °C y, por tanto, aumenta su temperatura al pasar por el condensador. El refrigerante se condensa a una temperatura superior a la temperatura ambiente, que depende de la presión de alta. En el ejemplo, la condensación se produce a 37 °C. Hasta la entrada en la válvula de expansión, el refrigerante continúa cediendo calor, pero ahora ya en estado líquido, por lo que disminuye su temperatura. La válvula de expansión hace bajar la temperatura y la presión del refrigerante desde 27 °C hasta -10 °C y de 8,5 a 1 bar, repitiendo nuevamente el ciclo.

Puedes observar fácilmente cómo, tras arrancar la máquina, las presiones y temperaturas comenzaron a ≈separarse∆ hasta alcanzar los valores de régimen permanente, momento a partir del cual dejaron de variar. El aumento final de la temperatura y presión de condensación se debe a que hemos provocado una modificación intencionada en la marcha de la máquina para ver el efecto que provoca sobre distintos parámetros, como tendremos ocasión de estudiar más adelante.

45

40

35 PRESIÓN/TEMPERATURA

En el gráfico de la figura 11 aparece el registro de temperaturas y presiones obtenidas durante un periodo de 10 minutos en una máquina enfriadora de agua para un equipo de climatización.

30

25

20

15

10

5

0 13:06

13:07

13:09

13:10

13:12

13:13

13:14

13:16

TIEMPO

Presión evaporación Temperatura evaporación Presión condensación Temperatura condensación

Fig. 11: Registro de temperaturas y presiones.

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Diagrama de Mollier o diagrama p-h

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El funcionamiento de una máquina frigorífica es complejo, pues intervienen distintos procesos: cambios de estado del refrigerante, de la presión, de la temperatura,º El diagrama de Mollier o diagrama p-h (presión-entalpía) permite representar las distintas transformaciones que se producen a lo largo del ciclo, obteniendo a partir de él información valiosa sobre el estado del refrigerante, que nos permitirá comprender el funcionamiento de la máquina e interpretar distintas situaciones que pueden darse, como por ejemplo averías.

El refrigerante cambia de estado a lo largo del ciclo frigorífico como hemos visto en el capítulo anterior. Representaremos sobre el diagrama de p-h las distintas transformaciones que sufre el refrigerante y obtendremos importantes conclusiones a partir del mismo. En la figura 12 puedes ver el diagrama para el refrigerante R-22. 22

Fig. 12: Diagrama de Mollier para el refrigerante R-22.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

A pesar de que parezca que el mencionado diagrama sólo sea un procedimiento teórico empleado para realizar distintos cálculos para una máquina frigorífica, puede resultarnos muy útil para comprender mejor distintas situaciones que se pueden presentar en una máquina. Así, por ejemplo, es posible deducir a partir del diagrama si el compresor absorbe refrigerante en estado líquido, si la temperatura al final de la compresión es excesiva, etc. Como puedes ver, el diagrama parece muy complicado, pues existen numerosas líneas que se cruzan entre sí y que, en un principio, no nos dicen nada. Lo primero que haremos será fijarnos en los ejes del diagrama. En el eje vertical se representa la presión absoluta, y una peculiaridad es que la escala en la que se encuentra graduado es logarítmica. Debes prestar especial atención al utilizar este tipo de escalas, ya que las distancias entre los distintos puntos no son iguales que en una escala decimal. De forma genérica representamos en la figura 13 algunos puntos de una escala logarítmica.

Fig. 13: Escala logarítmica.

Observa que la distancia del 10 al 20 es la misma que la del 100 (102 = 10 x 10) al 200, cosa que no ocurriría en una escala decimal. Volviendo al anterior diagrama de Mollier para el R-22, del cual representamos una parte de la escala logarítmica en la siguiente figura, puedes comprobar como la distancia del 0,9 al 1 es la misma que la del 9 al 10, o que el 5 se encuentra mucho más cerca del 10 de lo que estaría en una escala decimal que tuviese del 1 al 10 la misma longitud que la escala logarítmica.

Fig. 14: Detalle de escala logarítmica de presión (diagrama de Mollier).

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Para nosotros no es importante cómo se construyen este tipo de escalas, pero sí que debemos prestar especial atención cuando intentemos localizar puntos en ella. En el eje horizontal se representa la entalpía específica (h), en kJ por cada kg de refrigerante. La entalpía podemos definirla como la cantidad total de calor contenida en el refrigerante en un estado determinado. En el diagrama p-h se distinguen tres zonas bien diferenciadas que se corresponden con distintos estados físicos del refrigerante y que quedan delimitadas por la curva de An Andrews:

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 Zona de vapor, situada a la derecha de la curva de Andrews

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 Zona líquido + vapor, situada en el interior de la curva de Andrews  Zona líquido, situada a la izquierda de la curva de Andrews

En la figura 15 se muestra el diagrama para el refrigerante R-410a, en el cual se pueden ver estas tres zonas. Así mismo podemos ver que existe un punto crítico que coincide con la unión de las líneas de vapor saturado y líquido saturado de la curva de Andrews y que en algunos casos no se representa, como ocurre en este diagrama. Cuando superamos la presión correspondiente a ese punto, el refrigerante se evapora sin ebullición o, dicho de otra forma, no es posible condensarlo.

CURVA ANDREWS

ZONA LÍQUIDO ZONA VAPOR ZONA LÍQUIDO + VAPOR

Fig. 15: Zonas del diagrama de Mollier.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

Líneas del diagrama de Mollier Si te has fijado, en el diagrama anterior aparecen con distintos colores determinadas líneas que tienen un significado y que nos van a permitir estudiar el comportamiento de la máquina. En la figura 16 tienes representadas cada una de estas líneas así como su denominación.

Fig. 16: Líneas del diagrama de Mollier.

Comentaremos a continuación el significado de cada una de estas líneas, que como verás en el capítulo siguiente, nos permitirán dibujar e interpretar las distintas transformaciones que sufre el refrigerante durante un ciclo:  Isobaras. Son líneas de presión constante, es decir, cualquier punto que elijamos

sobre una isobara tendrá la misma presión (iso = igual). Como la presión se representa en el eje vertical, las isobaras son líneas horizontales. En la figura anterior hemos dibujado la isobara correspondiente a 3 bar.

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 Isoentálpicas. Son líneas de entalpía constante, es decir, cualquier punto que eli-

jamos sobre una isoentálpica tendrá la misma entalpía. Como la entalpía se representa en el eje horizontal, las isoentálpicas son líneas verticales. En la figura anterior hemos representado la isoentálpica correspondiente a 330 kJ/kg.  Isotermas. Son líneas de temperatura constante y tienen tres zonas bien diferenciadas:

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• En el interior de la curva de Andrews, donde son horizontales, ya que se corresponden al cambio de estado de líquido a vapor o de vapor a líquido.

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• En la zona de vapor. • En la zona de líquido, que son completamente verticales. En la imagen aparece la isoterma correspondiente a 20 °C.  Iséntropa. Son líneas de entropía constante. La entropía es un concepto complica-

do, pero podemos simplificarlo como la parte de energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Generalmente sólo se dibujan en la región del vapor para no complicar en exceso el diagrama. En el diagrama aparece dibujada la línea correspondiente a 1,8 kJ/kg K.  Isócora. Son líneas de volumen específico constante (volumen por unidad de masa,

es decir, el volumen que ocupa un kg de refrigerante). Estas líneas son importantes, ya que si el volumen específico aumenta, la cantidad de refrigerante en circulación disminuye, puesto que la capacidad de los cilindros del compresor es limitada. En la figura aparece resaltada la línea correspondiente a 0,06 m3/kg.  Vapor constante (relación de vapor). Están situadas en el interior de la curva de

Andrews y representan la cantidad de vapor que existe en la mezcla "líquido+vapor" en un punto cualquiera durante el cambio de estado. Se ha representado la línea correspondiente a X = 0,3 ( 30 % de vapor + 70 % de líquido).

1

ctividad

Unidad

1

a

Diagrama Presión-Entalpía

A continuación se muestra el diagrama p-h correspondiente al refrigerante R-22. Representa sobre dicho gráfico los puntos que se indican en la siguiente tabla y, a su vez, completa los datos que faltan en la misma. Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, puedes utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.

Punto

A

B

P (bar)

8

10

T (°C)

80

Entalpía (kJ/kg)

200

C

D

E

-25

65

0

350

450

Entropía (kJ/kg⋅K) Volumen específico (m3/kg)

0,1

Relación de vapor (%)

23




ctividad

2

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a

24




El diagrama p-h que se muestra a continuación corresponde al refrigerante R-410a. Dibuja sobre este diagrama las líneas siguientes: • Isoterma correspondiente a -15 °C. • Isobara correspondiente a 15 bar • Iséntropa correspondiente a 1,90 kJ/kg⋅K • Isócora correspondiente a 0,035 m3/kg Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, puedes utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

El ciclo frigorífico Ya sabemos qué procesos ocurren durante el ciclo de refrigeración y en qué consiste un diagrama de Mollier. Ahora será interesante saber cómo se representa cada proceso que ocurre durante un ciclo en el diagrama PresiónEntalpía correspondiente al refrigerante utilizado en la instalación. Analizando el gráfico podremos obtener mucha información mediante sencillos cálculos. También aprenderás a dibujar un ciclo real sobre el diagrama.

Representación de un ciclo frigorífico Para dibujar el ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h partiremos de una instalación elemental como la indicada en la figura siguiente y sobre la que efectuaremos una serie de medidas necesarias para elaborar dicho ciclo. Para ello supondremos que no existe caída de presión ni en el lado de baja ni en el lado de alta presión. Esta situación, que sería ideal, no resta generalidad a las conclusiones que se pueden obtener del ciclo.

30 °C

8 bar

2 bar; 10 °C

Fig. 17: Instalación elemental de un ciclo frigorífico (Danfoss).

25




Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos




Los datos de los que partiremos para dibujar el ciclo son los siguientes:  Presión de baja: 2 bar  Presión de alta: 8 bar  Temperatura de aspiración: 10 °C  Temperatura a la entrada de la válvula de expansión: 30 °C

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 Refrigerante: R-134a

26

Para dibujar el ciclo podemos comenzar por cualquier punto de la máquina. En este caso comenzaremos por la línea de aspiración, aunque el procedimiento siempre es el mismo y se basa en buscar la intersección entre dos líneas del diagrama que representen los datos disponibles para el punto de la máquina que hubiésemos seleccionado. Los datos que conocemos para la línea de aspiración son la presión y la temperatura. En la aspiración del compresor hemos medido una presión de 2 bar (se supone relativa). Sin embargo, en el gráfico vienen representadas las presiones absolutas, por lo que debemos pasar la presión relativa a absoluta. Por tanto, su valor será: pabs = prel + patm = 2 + 1 = 3 bar Asimismo, la temperatura en ese punto es de 10 °C. Localizamos en el diagrama el punto que tiene una presión absoluta de 3 bar y una temperatura de 10 °C. Este punto, que llamaremos 1, se encuentra sobre la intersección de la isoterma de 10 °C y la isobara de 3 bar. En la figura 18 podemos ver la localización de dicho punto.

ISOTERMA = 10 °C ISOBARA = 3 bar

1

Fig. 18: Localización del punto de partida para dibujar el ciclo frigorífico.

Situado el punto correspondiente a la aspiración del compresor, realizaremos ahora el proceso proceso de compresión. El proceso de compresión se supone isentrópico y a lo largo del mismo el refrigerante aumenta su presión hasta la de descarga. Para localizar el punto correspondiente a la descarga (punto 2) dibujamos una línea isentrópica desde el punto 1 hasta la isobara correspondiente a la presión de descarga

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

La presión de descarga es de 8 bar (presión relativa), y la pasamos también a presión absoluta, por lo que su valor será: pabs = prel + patm = 8 + 1 = 9 bar En el caso de que no coincida ninguna iséntropa con el punto 1, dibujamos nosotros una entre las dos iséntropas más próximas a dicho punto, tal como nos ha ocurrido en este caso (fig. 19).

ISOBARA = 9 bar

2

1

Fig. 19: Localización del punto de descarga del compresor.

Finalizada la compresión del refrigerante llega el proceso de condensación. El gas, que se encuentra a una temperatura elevada, comienza a enfriarse en el condensador, cediendo calor sensible y disminuyendo su temperatura hasta la que corresponda al cambio de estado a la presión de 9 bar (35 °C aproximadamente). Como hemos supuesto que no existen caídas de presión, este proceso se realiza sobre la isobara de 9 bar tal como se muestra en la figura 20.

35 °C = TCONDENSACIÓN ISOTERMA = 30 °C ISOBARA = 9 bar

2

3

Fig. 20: Localización del punto de entrada de la válvula de expansión.

27




Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos




Como acabamos de ver en la figura 20, el refrigerante se condensa y se enfría hasta la temperatura correspondiente a la entrada de la válvula de expansión. Este punto se localiza sobre la isoterma correspondiente a 30 °C y la isobara de 9 bar (fíjate en los datos de los que habíamos partido) y lo llamaremos punto 3. Después de la condensación llega el proceso de expansión. Este proceso se supone adiabático, es decir, durante la expansión del refrigerante una parte de él se evapora absorbiendo calor del resto del refrigerante que continua es estado líquido, disminuyendo de esa forma su temperatura y presión.

Técnico en Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

La expansión se produce siguiendo una línea adiabática o isoentálpica desde el punto 3 hasta el punto 4, que coincide con la intersección de la adiabática que pasa por el punto 3 y la isobara correspondiente a la presión de evaporación (3 bar).

28

ISOTERMA = 30 °C

ISOBARA = 9 bar

3

2

ISOENTÁLPICA

ISOENTRÓPICA ISOBARA = 3 bar

4

1

Fig. 21: Localización del punto de entrada al evaporador.

Finalmente nos queda el proceso de de evaporación, que al producirse a presión constante (recordemos que durante el cambio de estado la presión y temperatura no cambian) se desarrollará a lo largo de la isobara correspondiente a la presión de baja desde el punto 4 hasta el punto 1. A medida que se produce la evaporación va disminuyendo la cantidad de líquido en el evaporador, aumentando simultáneamente la cantidad de vapor hasta que alcanzamos la curva del vapor saturado. A partir de ese momento, la evaporación ha concluido, y si aún es posible absorber calor, la temperatura del refrigerante comenzará a aumentar hasta alcanzar la aspiración del compresor (punto 1).

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

El ciclo frigorífico quedará finalmente como se indica en la figura 22.

3

2

CONDENSACIÓN

EXPANSIÓN

COMPRESIÓN

EVAPORACIÓN

4

1

Fig. 22: Representación gráfica del ciclo frigorífico.

Cálculos sobre el ciclo frigorífico A partir del ciclo frigorífico que hemos dibujado podemos realizar algunos cálculos elementales que nos permitirán comprender determinados aspectos del funcionamiento de la máquina:  Balance energético.  Coeficiente de eficiencia energética.  Relación de compresión.  Densidad del gas de aspiración.

29




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o Balance energético Vamos a estudiar el intercambio de calor que tiene lugar durante todo el ciclo frigorífico. Para ello, debemos tener en cuenta que los resultados que se obtengan son por cada kg de refrigerante que haya disponible. Observa que en el eje de entalpía la unidad es kJ/kg.

A. Calor absorbido en el evaporador (efecto frigorífico)

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

El calor absorbido en el evaporador será igual a la diferencia entre el valor de entalpía que tiene a la salida (h1) y el valor de entalpía que tenía a la entrada (h4).

30

Qevaporador = h1 √ h4 [kJ/kg]

Para el caso que nos ocupa resulta, aproximadamente: Qevaporador = 410 √ 240 = 170 kJ /kg

B. Calor aportado durante la compresión El calor que absorbe el refrigerante durante la compresión será igual a la entalpía que tiene a la salida (h2) menos la entalpía de entrada al compresor (h1).

Qcompresor = h2 √ h1 [kJ/kg]

En nuestro caso resulta aproximadamente: Qcompresor = 432 √ 410 = 22 kJ /kg

C. Calor cedido durante la condensación Durante el proceso de condensación se cede una cantidad de calor al exterior que será igual a la diferencia entre la entalpía a la entrada del condensador (h2) y la entalpía a la salida del mismo (h3):

Qcondensador = h2 √ h3 [kJ/kg]

En nuestro caso nos da aproximadamente: Qcondensador = 432 √ 240 = 192 kJ /kg

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

D. Balance energético Si nos fijamos en el ciclo que hemos dibujado y en el calor que en cada uno de los procesos hemos aportado o extraído del refrigerante, podemos llegar a la siguiente conclusión, que se puede comprobar gráficamente en la figura siguiente:

Qcondensador = Qevaporador + Qcompresor

El resultado en nuestro caso particular será: Qcondensador = 22 + 170 = 192 kJ /kg

El calor que extraemos del refrigerante en el condensador es igual al calor que absorbe el refrigerante en el evaporador más el que le aporta el compresor durante la compresión.

Qcondensador Qcompresor

Qevaporador

Qcondensador Qcompresor Qevaporador

240

410

432

Fig. 23: Balance energético en un ciclo frigorífico.

31




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o Coeficiente de eficiencia energética (COP: coefficient of performance) El coeficiente de eficiencia energética o coeficiente de rendimiento es la relación entre el frío que produce la máquina y la energía consumida para ello.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

COP =

32

We h1 − h 4 = Aw h2 − h1

[adimensional]

Si se compara el calor absorbido por el refrigerante durante la evaporación con el calor aportado al refrigerante por el compresor se observa que el calor de evaporación es mucho mayor que el calor necesario para el trabajo de compresión. El COP representa cuántas veces es mayor uno que otro. Cuanto más elevado sea el COP, menos calor hay que aportar por el compresor, por lo que el coste del frío que hemos producido será más pequeño.

o Relación de compresión La relación de compresión es la relación entre la presión de condensación y la de evaporación. Para este cálculo se utilizan presiones absolutas. Cuanto mayor sea la relación de compresión, más pequeña será la cantidad de refrigerante en circulación y la capacidad.

Relación de compresión =

p alta p baja

o Densidad del gas de aspiración (kg/m3) La densidad del gas de aspiración (kg/m3) se calcula mediante la inversa del volumen específico (m3/kg). Durante el proceso de compresión, cuanto mayor sea la densidad del gas absorbido en los cilindros, más elevada es la cantidad de refrigerante en circulación y la capacidad obtenidas. Por lo tanto, cuanto menor sea el volumen específico del gas de aspiración, mayor es la capacidad.

Densidad del gas de aspiración =

1 V

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

A continuación te presentamos un gráfico resumen del ciclo frigorífico, junto con los elementos del ciclo.

Líquido subenfriado

Vapor húmedo

3

Vapor sobrecalentado

36 °C 31°C

2

Condensación

Expansión

Co

D

55 °C

mp

res

ión

VÁLVULA DE EXPANSIÓN C

CONDENSADOR

COMPRESOR

4

11 1 °C

6 °C Evaporación

1

A

B

Vapor húmedo

EVAPORADOR

Vapor sobrecalentado

Fig. 24: Resumen del ciclo frigorífico visto hasta ahora.

En dicho gráfico puedes apreciar lo siguiente:  Al evaporador entra una parte de líquido y una pequeña parte de vapor (4).  Finalizada la evaporación, el refrigerante comienza a aumentar de temperatura has-

ta alcanzar la aspiración del compresor (1).  Finalizada la compresión, la temperatura del refrigerante ha aumentado considera-

blemente (2).  El vapor sobrecalentado comienza a enfriarse y aparecen las primeras gotas de lí-

quido. Finalizada la condensación, el líquido continúa enfriándose hasta alcanzar la entrada de la válvula de expansión (3).

33




Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos




En la figura 25 te presentamos otra forma de ver los procesos que tienen lugar durante el ciclo frigorífico en el evaporador y en el condensador.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

CALOR SENSIBLE. CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTEEN EL REFRIGERANTE EN ESTADO DELÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO ESTADO CONTINÚA ENFRIÁNDOSE CONTINÚA ENFRIÁNDOSE

34

CALOR LATENTE. EL REFRIGERANTE CAMBIA DE ESTADO: SE CONDENSA. CALOR ELLÍQUIDO REFRIGERANTE ES UNA LATENTE. MEZCLA DE Y VAPOR CAMBIA SE CONDENSA

CALOR LATENTE. EL REFRIGERANTE SE EVAPORA. HAY UNA MEZCLA DE LÍQUIDO Y VAPOR

Fig. 25: Procesos ocurridos durante el ciclo frigorífico.

CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE EN ESTADO DE VAPOR SE ENFRÍA HASTA LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN

CALOR SENSIBLE. EL REFRIGERANTE AUMENTA SU TEMPERATURA POR ENCIMA DE LA DE EVAPORACIÓN

3

ctividad

Unidad

1

a

Diagrama Presión-Entalpía

Dibuja el ciclo frigorífico del R-22 en su diagrama p-h, a partir de los siguientes datos: • Temperatura de condensación: 35 °C • Temperatura de evaporación: 5 °C • Temperatura a la entrada de la válvula de expansión: 25 °C • Temperatura en la aspiración del compresor: 15 °C Nota: Para realizar este ejercicio con mayor comodidad, puedes utilizar los diagramas de mayor tamaño que se incluyen al final de la unidad.

35




ctividad

4

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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

a

36

En la figura siguiente está representado un ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h del refrigerante R-410a. Obtén los siguientes valores aproximados interpretando el gráfico: a. Temperatura de evaporación. b. Temperatura de condensación. c. Temperatura de líquido y entalpía específica en la entrada de la válvula de expansión. d. Presión de evaporación. e. Temperatura, entalpía específica y volumen específico del gas de aspiración. f. Temperatura y entalpía específica del gas de descarga. g. Presión de condensación. h. Calor absorbido. i. Equivalente térmico del trabajo del compresor. j. Carga de condensación. k. Coeficiente de rendimiento. l. Relación de compresión. m. Densidad del gas de aspiración.




5

ctividad

Unidad

1

a

Diagrama Presión-Entalpía

En la máquina de la figura se han tomado las medidas que se indican. Dibuja el ciclo frigorífico y calcula el COP y la relación de compresión para el refrigerante R-134a.

31 °C

Válvula de expansión

6 °C

36 °C Recipiente Evaporador Condensador

11 °C

Compresor

37




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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Recalentamiento y subenfriamiento

38

Hasta ahora sabemos cómo es un ciclo frigorífico simple. ∂Podríamos mejorarlo de alguna forma para aumentar el rendimiento? Resultaría muy caro disponer de una máquina con un rendimiento muy bajo. ∂Es posible modificar el ciclo para conseguir que la máquina sea más segura disminuyendo las posibilidades de avería? Hemos visto ya que los líquidos no se pueden comprimir. Si el compresor aspira líquido y lo intenta comprimirº Veremos en este capítulo cómo se pueden conseguir estos dos objetivos modificando ligeramente el ciclo frigorífico.

Recalentamiento El recalentamiento se puede definir como la diferencia entre la temperatura del refrigerante a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación.

Recalentamiento = Tsalida evaporador √ Tevaporación

Otra forma de definir el recalentamiento sería la cantidad de calor que aportamos al refrigerante después de haberse evaporado. Teniendo en cuenta esta definición, el recalentamiento supone un aporte de calor sensible al refrigerante, y por tanto, supone un aumen mento de temperatura.

En la definición del recalentamiento hemos supuesto que el bulbo de la válvula de expansión termostática se encuentra situado a la salida del evaporador. Si no se encontrase allí deberíamos sustituir en la fórmula de recalentamiento el término Tsalida evaporador por Tbulbo válvula expansión.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

En un sentido más amplio podríamos hablar del recalentamiento como:

Recalentamiento = Taspiración √ Tevaporación En la imagen siguiente aparece un manifold electrónico colocado para medir el recalentamiento. Este tipo de instrumento da directamente el valor del recalentamiento. Se muestra aquí para que entiendas que, aunque parezca un concepto teórico, en la práctica se mide, ya que permite obtener conclusiones sobre el funcionamiento de la máquina.

SONDA CONECTADA A LA SALIDA DEL EVAPORADOR

CONEXI‡N LADO ASPIRACI‡N PARA MEDIR LA PRESI‡N (BP)

Fig. 26: Instrumento electrónico para medición del recalentamiento.

Este medidor electrónico dispone de un conector para sonda de temperatura y dos tomas para medir la presión de aspiración y descarga del compresor, lo que le permite medir tanto el recalentamiento como el subenfriamiento, como veremos más adelante. En este caso, para conocer el recalentamiento se mide, por un lado, la temperatura a la salida del evaporador mediante la sonda, y por otro, la presión en la aspiración del compresor. Tradicionalmente no se empleaban estos equipos electrónicos, sino que se utilizaban manómetros de frigorista para medir la temperatura de evaporación. Aunque parezca sorprendente que con un manómetro puedas medir temperatura; recuerda que el manómetro de frigorista incorpora escalas de temperatura para distintos refrigerantes, por lo que conoces la temperatura correspondiente al cambio de estado para una presión dada. Fig. 27: Manómetro de frigorista.

39




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El manómetro de la figura 27 se encontraba colocado en una máquina en el momento de realizar la fotografía. ∂Se te ocurre algún comentario a la vista del mismo? Los valores del recalentamiento en una máquina frigorífica varían según el tipo de válvula de expansión utilizada y el ajuste de la misma, pero podemos decir que aproximadamente el recalentamiento se encontrará entre unos 4 y 7 K. K. En el caso de emplear válvulas electrónicas, estos valores pueden reducirse a 2 y 3 K.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

o Medida del recalentamiento

40

Para calcular el recalentamiento, basándonos en su definición, necesitamos conocer dos temperaturas: la temperatura del refrigerante a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación. En el apartado anterior hemos visto un tipo de instrumento eléctrónico empleado para conocer el valor del recalentamiento, aunque su elevado precio hace que se sigan utilizando los instrumentos tradicionales, como son los termómetros y sondas de temperatura y los manómetros de frigorista. Para la medida del recalentamiento existen dos métodos:  Método Presión -Temperatura.  Método de las dos temperaturas.

A. Método Presión-Temperatura Este método consiste en medir en el lado de alta presión, por un lado, la presión de aspiaspiración del compresor (baja presión), y por otro, la temperatura a la salida del evaporador. Si utilizamos un manómetro de frigorista para medir la presión de aspiración, lo colocamos a la salida del evaporador (junto al bulbo de la válvula de expansión). Esta presión nos permite determinar la temperatura de evaporación, tal como hemos indicado anteriormente al emplear este tipo de manómetros. Por otro lado, la temperatura a la salida del evaporador la podemos medir directamente con un termómetro. Una vez obtenidas las dos temperaturas, se calcula el recalentamiento con la fórmula indicada anteriormente.

En el supuesto de que en tubería de aspiración existiese una caída de presión, deberíamos añadir a la presión del manómetro la caída de presión para conocer la temperatura de evaporación.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

En el caso de utilizar el manifold electrónico visto anteriormente para medir el recalentamiento, colocaríamos la sonda de temperatura a la salida del evaporador, y la conexión de presión en el lado de aspiración del compresor, tal como se ve en la figura 28.

SONDA DE TEMPERATURA CONECTADA A LA SALIDA DEL EVAPORADOR

CONEXI‡N PARA MEDIR LA PRESI‡N EN EL LADO DE ASPIRACI‡N DEL COMPRESOR (ALTA PRESI‡N)

DETALLE DE LA SONDA Y DEL CONECTOR

Fig. 28: Medición del recalentamiento mediante equipo electrónico.

En la siguiente figura aparece la información técnica que a este respecto aparece en las válvulas de expansión termostáticas de la firma Danfoss con el objetivo de ajustar correctamente el recalentamiento. Te damos esta información para que veas otra vez la importancia práctica del recalentamiento. Podemos ver en la figura dónde se toma la temperatura a la salida del evaporador (t1) y dónde se toma la presión (pS) en la misma zona, que corresponde a la línea de aspiración del compresor (recuerda que la presión es la misma en cualquier parte de la zona de aspiración). En función de esta temperatura se ajustará el caudal en la válvula de expansión. Fig. 29: Medición y ajuste del recalentamiento.

41




ctividad

6

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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

a

42




En una instalación se han efectuado las siguientes medidas: • Temperatura a la salida del evaporador: 10 °C • Presión de aspiración: 2 bar Determinar el valor del recalentamiento sabiendo que el refrigerante es R-134a.

B. Método de las dos temperaturas Con este método se miden directamente las dos temperaturas implicadas en la definición de recalentamiento: por un lado, la temperatura de evaporación, y por otro, la temperatemperatura de salida del evaporador. En el caso de la temperatura de evaporación, se coloca un sensor de temperatura a la salida de la válvula de expansión (entrada del evaporador) o, si fuese posible, sobre la propia tubería del evaporador, asegurándose de no colocarlo en un punto donde ya se hubiese evaporado todo el refrigerante. La temperatura a la salida del evaporador se mide igual que en el caso anterior. Una vez conocidas las dos temperaturas calculamos su diferencia y obtenemos el resultado del recalentamiento.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

En la imagen aparecen los lugares donde colocaríamos las sondas de temperatura en el supuesto de que la medida se efectuase con este tipo de instrumento. Hay que advertir que sólo indicamos los lugares donde colocaríamos las sondas pero que las imágenes no se corresponden con una medida real, ya que las fotografías corresponden a dos válvulas de expansión distintas, sin que por ello se pierda generalidad.

VŸLVULAS DE EXPANSI‡N

SONDA DE TEMPERATURA CONECTADA A LA SALIDA DEL EVAPORADOR

SONDA DE TEMPERATURA CONECTADA A LA SALIDA DE LA VŸLVULA DE EXPANSI‡N (Temperatura de evaporación)

Fig. 30: Medición de las dos temperaturas.

o ¿Dónde se produce recalentamiento? El recalentamiento puede producirse en cualquiera de los dos puntos siguientes:  Dentro del evaporador.  En la tubería de aspiración del compresor.

En el supuesto de que se produzca dentro del evaporador, podemos decir que el recalentamiento produce frío útil, ya que absorberá calor del espacio que se va a refrigerar. En este caso, el refrigerante se evaporará antes de alcanzar el final del evaporador y continuará absorbiendo calor, aumentando así su temperatura.

43




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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

En la figura siguiente podemos ver el recalentamiento en el evaporador, que corresponde al tramo comprendido entre los puntos C y C' en el esquema del ciclo frigorífico.

44

RECALENTAMIENTO PRODUCIDO EN EL EVAPORADOR

Fig. 31: Recalentamiento producido dentro del evaporador (Danfoss).

En el caso de que el recalentamiento se genere en la tubería de aspiración, el aumento de temperatura del refrigerante no se produce como consecuencia de una disminución de la temperatura del espacio que se quiere refrigerar, sino que el calor se absorbe del medio en el que se encuentra instalada la mencionada tubería. Debemos tener en cuenta que por la tubería de aspiración el refrigerante puede circular a temperaturas muy bajas y, por tanto, inferiores a la temperatura ambiente, por lo que absorberá calor del aire que rodea dicha tubería.

Fig. 32: Recalentamiento producido en la tubería de aspiración.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

o Métodos para conseguir recalentamiento El recalentamiento se puede conseguir colocando un inter intercambiador de calor entre la línea de líquido y la de aspiración del compresor, tal como aparece en la figura siguiente.

Válvula de expansión

Evaporador Intercambiador de calor Condensador

Compresor

Fig. 33: Máquina frigorífica con intercambiador de calor.

El intercambiador de calor no es mas que ≈un tubo dentro de otro tubo∆ tal como aparece en la imagen. El refrigerante en estado gaseoso pasa por el tubo central en dirección contraria al líquido para mejorar el intercambio de calor. El tubo central corrugado aumenta la transferencia de calor entre el refrigerante procedente de la línea de líquido y el del evaporador. Por tanto, a la salida del evaporador, el refrigerante en estado gaseoso es conducido a través del tubo central del mencionado intercambiador de calor donde aumenta su temperatura, produciéndose recalentamiento.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fig. 34: Intercambiador de calor e instalación en una máquina.

En la figura 35 podemos ver el efecto producido sobre el ciclo frigorífico del intercambiador de calor. Se ha exagerado el efecto del intercambiador de calor para verlo mejor. Como veremos más adelante, también influye en el subenfriamiento.

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EFECTO PRODUCIDO POR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR COLOCADO ENTRE LA LÍNEA DE LÍQUIDO Y LA DE ASPIRACIÓN. SE HA GENERADO UN SUBENFRIAMIENTO DE 25 K Y UN RECALENTAMIENTO DE 40 K. LOS VALORES SON MUY GRANDES PERO SÓLO TIENE COMO FUNCIÓN VER EL EFECTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR.

4

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

5

46

6

5

2

1

2

1

Fig. 35: Efecto del intercambiador de calor sobre el ciclo frigorífico.

En la figura se puede ver que, con el intercambiador de calor, la temperatura alcanzada a la salida del evaporador (punto 1) es de 30 °C, mientras que sin el intercambiador la temperatura es de -10 °C. Por tanto, el recalentamiento conseguido es: Recalentamiento = 30 - (-10) = 40 °C = 40 K

o Ventajas e inconvenientes del recalentamiento El recalentamiento ofrece una serie de ventajas en el desarrollo del ciclo frigorífico, aunque también presenta algunos inconvenientes como veremos a continuación. Entre las principales ventajas se encuentran las siguientes:  Aumento de la capacidad frigorífica si el recalentamiento se produce en el interior

del evaporador. Recordemos que la capacidad frigorífica viene dada por la diferencia h1 √ h4 y que, al desplazarse hacia la derecha el punto 1 (aspiración del compresor), aumenta la entalpía de dicho punto y, por tanto, la capacidad frigorífica.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

 La existencia de recalentamiento asegura que al compresor no llegue refrigerante

en estado líquido. En el caso de que llegase refrigerante líquido al compresor, al intentar comprimirlo, podría generarse un aumento de presión (golpe de líquido) que en algunos casos llegaría a deteriorar algunas de las partes del mismo. En la imagen puede verse el plato de válvulas y una parte del cigüeñal deteriorado como consecuencia de un golpe de líquido.

Fig. 36: Partes del compresor deterioradas (Copeland).

Los inconvenientes serían:  Disminución de la densidad del gas de aspiración como consecuencia del aumento

del volumen, por lo que la cantidad de gas en circulación será menor y, por tanto, también disminuye la capacidad frigorífica.  Aumento ligero del trabajo de compresión.  Aumento de la temperatura al final de la compresión, lo que puede provocar un

deterioro en el aceite lubrificante al disminuir su viscosidad. En la imagen aparece el estator de un compresor semihermético dañado como consecuencia del roce con el rotor. El rotor terminó rozando con el estator debido a una lubricación incorrecta provocada por un recalentamiento excesivo. Fig. 37: Estator de compresor dañado (Copeland).

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En la figura siguiente aparece un ciclo frigorífico con recalentamiento y otro sin él, manteniendo en ambos casos las temperaturas de condensación y evaporación. Puedes comprobar cómo se han producido todos los fenómenos que hemos comentado anteriormente.

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40 ºC 70 ºC

RES IÓ

N

CONDENSACIÓN CONDENSACIÓN

COM P

EXPANSIÓN

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

∆T FINAL COMPRESIÓN = 30 K

N NE Ó I R AC PO PI R V A AS NA ZO 3/

0,1 m

kg

3 / kg 0,12 m

EVAPORACIÓN

-10 ºC

20 ºC

∆ VOLUMEN ESPECÍFICO = 0,02

RECALENTAMIENTO = 30 K

Fig. 38: Ciclos frigoríficos con recalentamiento y sin recalentamiento.

Subenfriamiento El subenfriamiento es otro método para mejorar la eficacia del ciclo frigorífico. Podemos definir el subenfriamiento como la diferencia entre la temperatura a la entrada de la válvula de expansión y la temperatura de condensación:

Subenfriamiento = Tentrada válvula expansión √ Tcondensación

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

El subenfriamiento lo que provoca es una disminución de la temperatura a la entrada de la válvula de expansión, lo que hace que, al expansionarse el refrigerante, la cantidad que se evapora disminuya, resultando que al evaporador llega una cantidad de líquido mayor, por lo que tiene más capacidad de absorber calor. Recuerda que con calor latente (cambio de estado) existe más capacidad de absorber calor que con calor sensible. Podemos ver en la figura siguiente cómo afecta el subenfriamiento al ciclo frigorífico.

SUBENFRIAMIENTO = 40 – 20 = 20 K

CONDENSACIÓN

SIN SUBENFRIAMIENTO QEVAPORADOR = 400 – 255 = 145 kJ/kg

COM PRE S

EXPANSIÓN

IÓN

40 ºC

20 ºC

CON SUBENFRIAMIENTO QEVAPORADOR = 400 – 228 = 172 kJ/kg

EVAPORACIÓN 0,28

0,15

∆ CALOR ABSORBIDO EVAPORADOR = 255 – 228 = 27 kJ/kg ∆ RELACIÓN DE VAPOR = 28 – 15 = 13 % SE HA EVAPORADO UN 13% MENOS DE LÍQUIDO DURANTE LA EXPANSIÓN.

228

255

400

Fig. 39: Ciclo frigorífico con subenfriamiento.

El grado de subenfriamiento dependerá del tipo de instalación y del dispositivo utilizado para conseguirlo.

49




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o Medida del subenfriamiento Para medir el subenfriamiento se procede de forma similar a como se hizo con el recalentamiento, pero ahora en el lado de alta presión, tal como se muestra en la imagen de la figura que se muestra a continuación.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

En la figura 40 se muestra la medición, por un lado, de la temperatura del refrigerante a la entrada de la válvula de expansión, y por otro, la presión en el lado de descarga del compresor. Con dicha presión se puede conocer la temperatura de condensación.

50

SONDA DE TEMPERATURA CONECTADA A LA ENTRADA DE LA VŸLVULA DE EXPANSI‡N

CONEXI‡N PARA MEDIR LA PRESI‡N EN EL LADO DE DESCARGA DEL COMPRESOR (ALTA PRESI‡N)

Fig. 40: Medición del subenfriamiento mediante equipo electrónico.

o ¿Dónde se produce subenfriamiento? El subenfriamiento puede producirse en el propio condensador o en la línea de líquido (tubería que va desde el condensador a la válvula de expansión). Algunas instalaciones disponen de un dispositivo para subenfriar el refrigerante a la salida del condensador. El intercambiador de calor que hemos comentado para el caso del recalentamiento también contribuye a subenfriar el refrigerante que sale del condensador, tal como puede verse en la figura mostrada anteriormente. Fíjate cómo ha disminuido la temperatura del refrigerante en la línea de líquido tras pasar por el intercambiador de calor. Otra posibilidad para conseguir subenfriamiento consiste en sobredimensionar el concondensador. De esta forma, el subenfriamiento se logra en el propio condensador.

7

ctividad

Unidad

1

a

Diagrama Presión-Entalpía

En una máquina frigorífica las tuberías suelen ir aisladas, pero no todas. Si observas la fotografía del intercambiador de calor podrás darte cuenta de ello. ∂Sabrías identificar la línea de líquido y la de aspiración? ∂Por qué una va aislada y la otra no?

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Módulo: Máquinas y Equipos Frigoríficos




Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Resumen

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Refrigeración

Consiste en extraer calor de un ambiente para reducir su temperatura. Dentro del proceso de refrigeración se enmarca la climatización, climatización, que consiste en dar a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad del aire, y a veces también de presión, necesarias para la salud o la comodidad de quienes lo ocupan.

Evaporación

Ocurre en el evaporador. En el evaporador, el líquido se evapora a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el medio de enfriamiento que atraviesa el evaporador.

Compresión

El vapor resultante de la evaporación se aspira por la línea de aspiración desde el evaporador hasta la entrada del compresor, en cuyo interior aumentan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. El vapor a alta temperatura y a alta presión se envía al condensador por la línea de descarga.

Condensación

El refrigerante libera el calor absorbido durante la evaporación y compresión, hacia el medio de enfriamiento (aire y/o agua). En la liberación de calor, el refrigerante se condensa y disminuye su temperatura.

Expansión

La presión del refrigerante líquido condensado se reduce mediante la válvula de expansión a la presión de evaporación requerida.

Línea de baja presión

Conecta el condensador con la válvula de expansión.

Línea de alta presión

Va desde el evaporador hasta el compresor.

Línea de descarga

Va desde el compresor hasta el condensador.

Lado de baja presión

Consta del evaporador y la línea de aspiración. La presión que ejerce el refrigerante en estas partes es la baja presión a la que se vaporiza en el evaporador, y que se denomina presión de aspiración o presión de evaporación.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

Lado de alta presión

Consta de la línea de descarga, el condensador y la línea de líquido. La presión ejercida por el refrigerante en esta parte del sistema es la alta presión a la que se condensa el refrigerante en el condensador, también llamada alta presión, presión de condensación o presión de descarga.

Zonas del diagrama p-h (diagrama de Mollier)

Se distinguen la zona de vapor, a la derecha de la curva de Andrews, la zona de líquido y vapor, en el interior de la curva de Andrews, y la zona de líquido, a la izquierda de la curva de Andrews.

Líneas del diagrama p-h

Se encuentran representadas cinco tipos de líneas: isobaras, isoentálpicas, isotermas, isentropas e isocoras.

Cálculos del ciclo frigorífico

Efecto de refrigeración: We (kJ/kg) = h1 - h4 Equivalente térmico Aw (kJ/kg) = h2 - h1

del

trabajo

del

compresor:

Carga de condensación: Wc (kJ/kg) = h2 √ h3 Coeficiente de rendimiento: COP =

Relación de compresión: RC =

We h1 - h 4 = Aw h2 - h1

p alta p baja

Densidad del gas de aspiración: d (kg/m3 ) =

1 V (m3 /kg)

Recalentamiento

Diferencia entre la temperatura a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación. La existencia de recalentamiento asegura que no llegue líquido al compresor, pero un exceso del mismo genera una temperatura excesiva al final de la compresión, lo que puede provocar problemas de lubricación.

Subenfriamiento

Diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura a la entrada de la válvula de expansión.

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Autoevaluación

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

1. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

54

V

F

a. Un aumento del recalentamiento provoca un aumento en la temperatura al final de la compresión.





b. La tubería de aspiración no se aísla, ya que de esa forma el refrigerante puede continuar absorbiendo calor.





c. La presencia de subenfriamiento asegura que se ha condensado todo el refrigerante.





d. La relación de compresión es el cociente entre las presiones de alta y de baja expresadas en términos de presión relativa.





e. La temperatura de condensación es inferior a la del medio de enfriamiento.





f. El recalentamiento es la diferencia entre la temperatura a la salida del evaporador y la entrada de la válvula de expansión.





g. Una isoterma es una línea que representa puntos con la misma presión.





h. Durante el proceso de expansión una parte del refrigerante se evapora.





i. Cuanto menor sea la cantidad de refrigerante evaporado durante la expansión mayor será el efecto frigorífico.





j. Cuanto mayor sea el COP de una máquina frigorífica mas barato es el frío producido.





k. Un recalentamiento excesivo puede provocar problemas en la lubricación del compresor.





2. Utilizando el ciclo frigorífico sobre el diagrama p-h (por ejemplo, del R-134a), demuestra que al aumentar la relación de compresión aumenta el coste del frío producido. Para ello, vamos a suponer que tiene la misma temperatura de evaporación, que no existe subenfriamiento y que el recalentamiento se mantiene constante.

Unidad

1

Diagrama Presión-Entalpía

3. Antonio López, frigorista de reconocido prestigio, comprueba que el manómetro de baja mide 1,5 bar y que la temperatura de aspiración es de -15 °C. ∂Llegará refrigerante líquido al compresor si la máquina lleva como refrigerante R-410a?

4. Calcula la relación de compresión de una máquina que trabaja con R-134a con unas temperaturas de evaporación y condensación de -10 °C y 39 °C. ∂Qué ocurriría si por error empleas las presiones que no debes en el cálculo? (Nos referimos a utilizar presiones absolutas o relativas).

5. Dibuja una máquina frigorífica elemental y señala sobre ella el punto más caliente y el más frío. Puedes hacerlo sobre la máquina de la pregunta siguiente.

6. En la figura aparece un esquema de una máquina frigorífica (Sporlan Valve Company). Señala cuáles son las siguientes líneas: a. La línea de líquido. b. La línea de aspiración. c. La línea de descarga.

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Respuestas Actividades

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

1. Los puntos que deberías haber señalado en el diagrama del R-22 son los siguientes:

56

B A

D

E C

A continuación, con ayuda del diagrama completamos los valores que faltaban en la tabla: Punto

A

B

C

D

E

P (bar)

8

10

1,8

5

2,5

T (°C)

80

25

-25

65

0

Entalpía (kJ/kg)

460

200

350

450 450

410

1,90

1

1,62

1,90

1,83

0,040