Ciclo de refrigeración y bomba de calor: principios y funcionamiento

Resumen

El documento explica el ciclo de refrigeración por compresión de vapor y el ciclo de Carnot de cuatro etapas, describiendo el papel del compresor, el condensador, la válvula de expansión y el evaporador. También presenta la bomba de calor y la bomba de calor reversible, que puede funcionar como calefacción en invierno y como refrigerador en verano.

Puntos clave

El ciclo de Carnot de una máquina frigorífica consta de cuatro etapas: compresión adiabática, compresión isotérmica, expansión adiabática y expansión isotérmica.
En el compresor se aumenta la presión y la temperatura del fluido, que consume trabajo exterior W y se supone adiabático.
En el condensador el fluido se licúa cediendo el calor Qc al exterior, a temperatura constante Tc durante el cambio de estado.
En la válvula de expansión el líquido disminuye su presión y su temperatura, vaporizándose parcialmente.
En el evaporador el fluido absorbe el calor Qf del recinto a refrigerar, a temperatura constante Tf.
Una bomba de calor cede calor al foco caliente Tc absorbiendo calor del ambiente a menor temperatura Tf.
Una bomba de calor reversible usa una válvula reversible para intercambiar las funciones de evaporador y condensador según la estación.

Ponte a prueba

El fluido pasa de estado de vapor a estado líquido C=>D: Válvula de expansión: El líquido disminuye la presión y la temperatura D=>A: Evaporador: Foco frío a Tf. Absorbe Qf del recinto a refrigerar. El fluido de trabajo pasa de estado líquido a estado de vapor. El ciclo de Carnot [4 tiempos] A=>B: Compresión adiabática. Aumenta la temperatura de Tf a Tc, y la presión. El compresor absorbe trabajo del exterior W que es absorbido por el fluido que estaba en estado gaseoso. B=>C: Compresión isotérmica El fluido en estado de vapor se licua, cediendo una cantidad de calor Qc al exterior. La temperatura del fluido permanece constante (Tc) durante este proceso por ser cambio de estado. C=>D: Expansión adiabática En el expansor el líquido enfriado se expansiona adiabáticamente, disminuyendo su presión y su temperatura, con lo cual se vaporiza parcialmente. D=>A: Expansión isotérmica El fluido llega al evaporador, donde se vaporiza casi en su totalidad a presión constante, absorbiendo una cantidad de calor Qf del recinto que se desea enfriar. Esta etapa es en la que se cumple el objetivo de la máquina frigorífica. Esta cuarta etapa es una expansión isotérmica a la temperatura Tf, que permanece constante por ser cambio de estado.

Bomba de Calor

En las máquinas frigoríficas el objetivo es extraer la máxima Qf del foco frío, para mantenerlo a una temperatura Tf inferior a Tc del medio ambiente, sin importar el calor cedido al foco caliente. Sin embargo, existe la posibilidad de utilizar este mismo dispositivo con la finalidad de ceder la máxima cantidad posible de Qc, a un sistema que actúa como foco caliente, a la temperatura Tc, absorbiendo calor del ambiente que se encuentra a una temperatura inferior Tf.

Bomba de Calor Reversible

Una bomba de calor reversible se puede utilizar también como refrigerador. Sólo es necesario dotar al equipo de una válvula reversible que permita intercambiar, según convenga, las funciones de evaporador y del condensador:

En invierno, cuando se desee calentar un recinto determinado (el sistema funciona como una bomba de calor), el intercambiador situado en el interior del recinto deberá actuar como condensador.
En verano, dicho intercambiador funcionará como evaporador y se comportará como una máquina frigorífica.

Sistemas de Refrigeración de Vapor

A=>B: Compresor: Eleva la presión y la temperatura del fluido evaporado. Consume trabajo. Se supone adiabático. B=>C: Condensador: Foco caliente a Tc. Cede Qc al ambiente.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre una máquina frigorífica y una bomba de calor?

La máquina frigorífica busca extraer la máxima cantidad de calor Qf del foco frío para enfriarlo. La bomba de calor busca ceder la máxima cantidad de calor Qc al foco caliente, absorbiendo calor del ambiente a menor temperatura.

¿Cómo funciona una bomba de calor reversible?

Incorpora una válvula reversible que intercambia las funciones de evaporador y condensador. En invierno el intercambiador interior actúa como condensador para calentar el recinto, y en verano actúa como evaporador para enfriarlo.

¿Qué ocurre en el evaporador del ciclo de refrigeración?

El fluido llega en estado líquido y se vaporiza casi por completo a presión constante, absorbiendo calor Qf del recinto que se desea enfriar. Es la etapa donde se cumple el objetivo de la máquina frigorífica.