El calor de compresión
Un ciclo de refrigeración se define como aquel proceso termodinámico en el que se transfiere calor de un entorno con una temperatura más baja a otro con una temperatura más alta. El ciclo de refrigeración más utilizado es el de compresión, en el que los cambios de estado de un fluido, provocados a su vez por cambios de temperatura, presión y volumen, desempeñan un papel fundamental.
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El dispositivo frigorífico
Para algunos procesos típicos, como el acondicionamiento (enfriamiento), así como para la refrigeración (aplicaciones relacionadas con el almacenamiento y transporte de sustancias alimentarias), es necesario «producir frío» con un ciclo frigorífico. El concepto de «producir frío» no es correcto, ya que, según la segunda ley de la termodinámica, lo que sucede es que el calor se transfiere de un cuerpo más caliente a otro más frío.
Se trata de un proceso espontáneo en la naturaleza, sin necesidad de actividades externas. El proceso inverso, es decir, la transferencia de calor de «zonas de menor temperatura» a «zonas de mayor temperatura» no se produce espontáneamente y requiere la ayuda de un dispositivo frigorífico. El ciclo de refrigeración más utilizado, sobre todo en cámaras frigoríficas, es el CICLO DE COMPRESIÓN.
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El ciclo de refrigeración
Un ciclo de refrigeración es un ciclo termodinámico capaz de transferir calor desde un ambiente de baja temperatura (T2) a uno de mayor temperatura (T1). El ciclo térmico de un frigorífico se basa en cambios de estado de un fluido, debidos a su vez a variaciones de temperatura, presión y volumen. Para que se produzcan estas transiciones de estado, debe transferirse energía en forma de calor. Para que el ciclo de refrigeración funcione extrayendo calor de un ambiente de baja temperatura a uno de mayor temperatura, hay que aplicar una compresión.
Componentes de un dispositivo frigorífico
El dispositivo frigorífico está compuesto por 4 sistemas abiertos que, al conectarse entre sí, crean un sistema cerrado.
Dos componentes, dentro de los cuales se produce el cambio de estado del fluido:
- Evaporador: hace que el fluido refrigerante pase del estado líquido a gaseoso y absorbe calor del ambiente a enfriar, produciendo frío.
- Condensador: produce calor en un medio refrigerante, generalmente aire o agua, y volviendo al estado líquido.
Dos componentes encargados de mantener las dos temperaturas diferentes T1 y T2:
- Compresor: aumenta la presión, comprimiendo el fluido a estado gaseoso antes de que pase al estado líquido en el condensador.
- Válvula de laminación: provoca una disminución de presión que favorece la transición del estado líquido al gaseoso, la cual se produce en el evaporador.
El compresor es el corazón del sistema de refrigeración. Su función es la de aspirar el vapor saturado del evaporador para luego comprimirlo y así facilitar su fluidificación, a causa del aumento de presión inducido. El compresor suele ser de tipo alternativo, y consta de un cilindro en cuyo interior hay un pistón. A través de una válvula de aspiración, el cilindro se llena de vapor saturado, que se comprime por el pistón a medida que avanza hacia la culata; esto provoca un incremento de la presión y el consiguiente sobrecalentamiento del vapor.
El vapor sale por la apertura de la válvula de compresión y llega hasta el condensador.
Fases del ciclo de refrigeración
El ciclo de refrigeración suele representarse en el diagrama Ph (presión entalpía).
En el punto A', el fluido refrigerante se encuentra en estado líquido subenfriado, a la salida del condensador. El fluido accede a la válvula de laminación y sufre una transformación isoentálpica que disminuye su presión y temperatura.
A' – B expansión del fluido a través de la válvula.
La expansión es adiabática e isoentálpica (sin intercambio de calor con el exterior y con entalpía constante).
En el evaporador, el líquido se vaporiza, completando el cambio de estado líquido a gaseoso.
B – C transformación a presión y temperatura constantes en el evaporador.
La vaporización es isotérmica e isobárica y el refrigerante absorbe una gran cantidad de calor (Q2) de su entorno, enfriándolo.
En el punto C, el fluido pasa a la condición de vapor saturado.
Desde el punto C al C', el vapor se sobrecalienta para evaporar las gotas de líquido restantes.
Al salir del evaporador, el compresor aspira y comprime el vapor, aumentando su presión y temperatura. La compresión requiere una cierta energía externa (operación Lc), correspondiente al trabajo mecánico del compresor (calor de compresión).
C' – D compresión adiabática (sin intercambio de calor con el exterior) en el compresor.
Durante este paso, se produce un aumento significativo en la temperatura y presión del fluido.
En el punto D, el fluido refrigerante se encuentra en el campo de vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado a alta presión pasa del compresor al condensador. Aquí, por efecto del fluido refrigerante (aire o agua), el gas comienza a liberar su calor. En primer lugar, se produce una caída de temperatura para la eliminación de la fracción sensible de calor (sin cambio de estado) en la curva (D – E).
A continuación se condensa el fluido, que pasa de estado gaseoso a líquido saturado (E – A).
El fluido se enfría con una transformación isobárica.
A – A' se efectúa un subenfriamiento para obtener un mayor efecto frigorífico.
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