Capítulo 1
Fundamentos termodinámicos de la refrigeración
Los sistemas de refrigeración son sistemas que intercambian calor con el medio que los rodea. Para esto es necesario realizar una serie de procesos físicos que dará lugar a dicho intercambio de calor, así como a un intercambio de trabajo. Las máquinas frigoríficas generan calor a costa de consumir energía mecánica, al contrario que los motores térmicos, que generan energía mecánica a cambio de consumir calor. Son numerosas las formas de trabajo en los sistemas de refrigeración, por lo que el presente capítulo se centrará en las más importantes y que sirven de base para el resto.
Una cuestión muy importante en climatización es el estudio de la humedad del ambiente. Este hecho, frecuentemente olvidado, contribuye al bienestar de las personas, así como al diseño de los equipos a utilizar. Para analizar la humedad del aire existe una serie de magnitudes, en algunas ocasiones complejas de averiguar, por lo que es muy usual acudir a tablas y diagramas para facilitar dicho trabajo.
La producción de frío es básicamente un fenómeno térmico de absorción de calor donde la fuente de calor es el objeto o el espacio que se quiere enfriar. En otras palabras, no se trata de suministrar frío, sino de sustraer calor a dicho objeto o espacio. En este contexto cabe preguntarse: ¿qué es la termodinámica?
Definición
Termodinámica
Parte de la física que estudia los estados de equilibrio, definidos por magnitudes que dependen del tamaño del sistema, como la energía interna, la entropía o el volumen, y por magnitudes que no dependen del tamaño del sistema, como la temperatura y la presión.
Existen numerosos procedimientos para generar frío, pero básicamente todos los procesos de refrigeración se pueden clasificar en dos grandes grupos:
En la práctica, los procesos físicos son los generalmente usados para refrigeración. Estos procesos se dividen a su vez en los siguientes:
Sabía que...
Los sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia por fusión eran muy utilizados hasta la aparición de la refrigeración artificial. Así, por ejemplo, se refrigeraban las antiguas bodegas de vino.
Actividades
1. Buscar ejemplos sobre los sistemas físicos usados en refrigeración.
2. Buscar alguna aplicación en la que se utilicen procesos químicos para generar frío.
Todos los procesos físicos utilizados para refrigeración son ciclos termodinámicos, entendiéndose como tal cualquier serie de procesos termodinámicos en la que el sistema parte de una situación inicial, realiza dichos procesos y vuelve a dicha situación inicial. En estos procesos termodinámicos existe una variación de las propiedades termodinámicas del sistema, que son:
En todo ciclo termodinámico existirán al menos dos focos de temperatura, un foco frío, a menor temperatura, y un foco caliente, a mayor temperatura. En los ciclos de refrigeración, el calor se transmitirá siempre desde el foco frío hacia el foco caliente.
Siendo:
Recuerde
En los sistemas de refrigeración el calor se transmitirá desde el foco frío hacia el foco caliente. De manera natural el calor fluye por sí solo desde el foco caliente hacia el foco frío.
Existen cuatro leyes de la termodinámica, las cuales se han de cumplir en todo ciclo termodinámico:
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica, también llamada ley de equilibrio térmico, enuncia que dos cuerpos que se encuentran a la misma temperatura están en equilibrio térmico, no produciéndose intercambio de calor entre ellos.
Ejemplo
Si se vierte agua caliente en un vaso frío, el agua se enfriará, mientras que el vaso se calentará, hasta que ambos tengan la misma temperatura. En este momento se encontrarán en equilibrio térmico, no habiendo intercambio de calor entre ellos.
Primera ley de la termodinámica
También llamada principio de conservación de la energía, indica que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma en otro tipo de energía. En este contexto hay que aclarar que tanto el calor como el trabajo son tipos de energía. De hecho, se define la cantidad de calor (Q) absorbida por un sistema como el cambio en su energía interna que no se debe al trabajo.
Siendo:
Ejemplo
Al calentar una olla exprés llena a la mitad de agua, al transmitir calor al interior de la olla, se generará vapor. El calor que se transmite a la olla se invierte en aumentar la energía interna del agua, que pasa de estado líquido a vapor, y en realizar un trabajo sobre las paredes de la olla y haciendo girar la válvula de seguridad.
Olla exprés, ejemplo de la primera ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley especifica que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura. El calor fluye espontáneamente desde los focos calientes hacia los focos fríos, hasta alcanzar el equilibrio. Con esto se deduce que, para que el calor fluya desde los focos fríos hacia los focos calientes, habrá que aplicar trabajo al sistema.
Ejemplo
En una locomotora a vapor, una caldera genera vapor, el cual pasa de la caldera, a muy alta temperatura, al exterior, a temperatura ambiente, atravesando un pistón sobre el que genera un trabajo.
Tercera ley de la termodinámica
Por último, la tercera ley enuncia que no existe ningún proceso capaz de reducir la temperatura de un sistema al cero absoluto en un número finito de pasos. El cero absoluto equivale a cero grados Kelvin, es decir, a −273 °C.
Recuerde
En termodinámica es muy usual medir la temperatura en grados Kelvin (K). Para pasar de grados centígrados a grados Kelvin basta sumar 273.
0 °C = 273 K.
Como ya se ha comentado, un ciclo termodinámico es una sucesión de procesos termodinámicos, partiendo de un estado inicial y volviendo a dicho estado inicial. Existen infinidad de procesos termodinámicos, según varíen las propiedades del sistema. Sin embargo, hay que diferenciar varios procesos termodinámicos característicos en los ciclos termodinámicos:
En termodinámica es muy común el uso de diagramas. Para representar los ciclos termodinámicos se usan principalmente dos tipos de diagramas: diagramas presión-volumen, P-V, y diagramas temperatura-entropía, T-S.
Siendo:
A continuación se analizarán brevemente los ciclos termodinámicos usados en refrigeración.
Ciclo de Carnot inverso
El ciclo de Carnot para refrigeración es el ciclo más básico. Para realizar este ciclo se utiliza un fluido compresible, el cual cambiará de estado. Las diferentes etapas de este ciclo se representan en la siguiente figura:
Siendo:
Analizando el ciclo, se distinguen los siguientes procesos:
El ciclo de Carnot es un ciclo ideal y reversible. Es imposible reproducirlo en la práctica debido, entre otras cosas, a los rendimientos internos del compresor y la turbina. Su utilidad radica en que es el ciclo de mayor eficiencia energética, ya que requiere el mínimo trabajo en el compresor y su eficiencia solo depende de la diferencia de temperatura entre los focos. Es por esto que se utiliza para comparar el rendimiento de los distintos ciclos.
Importante
El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, es decir, teórico. La eficiencia energética del ciclo de Carnot es la máxima que se puede conseguir. Ningún otro ciclo representa una eficiencia mayor al ciclo de Carnot.
Actividades
3. ¿Por qué al ciclo de Carnot para refrigeración se le denomina “ciclo inverso” y “ciclo reversible”?
Ciclo de refrigeración por compresión
En la práctica, los ciclos que utilizan fluidos compresibles difieren en varios aspectos del ciclo ideal de Carnot. Las diferentes etapas de estos ciclos se representan en la siguiente figura:
Siendo:
Describiendo la figura, se distinguen los siguientes procesos:
Aplicación práctica
Los equipos de aire acondicionado más simples están formados por una unidad exterior y una o varias unidades interiores. Estos equipos trabajan según el ciclo de refrigeración por compresión. En este tipo de equipos, ¿qué elementos irán en el interior y en el exterior?
SOLUCIÓN
Generalmente, la unidad exterior incluye el compresor, el condensador y la válvula de expansión. El evaporador se encontrará en la unidad interior.
Ciclo de Joule-Brayton
A diferencia del ciclo de Carnot, en este ciclo el fluido caloportador utilizado es aire. Las diferentes etapas del ciclo teórico se describen en la siguiente figura:
Siendo:
Analizando la figura, se pueden distinguir los siguientes procesos termodinámicos:
El ciclo descrito es un ciclo ideal, ya que en la práctica el trabajo necesario para la compresión es mayor y el trabajo obtenido en la expansión es menor. Esto es debido a los rendimientos internos tanto del compresor como de la turbina o la máquina de pistón.
Recuerde
El ciclo de refrigeración por compresión utiliza un fluido compresible y el ciclo de Joule-Brayton utiliza aire.
Otros ciclos de refrigeración
Existen otros muchos ciclos de refrigeración, la mayoría basados en el ciclo de compresión de vapor, salvo sustituyendo algunos de sus procesos por otros de efectos similares. Es el caso, por ejemplo, del ciclo de absorción. Este ciclo aprovecha las propiedades de algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, como el agua, en estado vapor. Otra de las posibilidades es usar el agua como sustancia absorbente y amoníaco como sustancia absorbida. En este ciclo se sustituye la compresión mecánica por una absorción del vapor en líquido.
Siendo:
Nota
Existen numerosos ciclos de refrigeración, además de los expuestos. Algunos de ellos realizan los mismos procesos de los ciclos básicos, pero en varias etapas. Ejemplo de esto son los sistemas con compresión múltiple, en los que la compresión consta de dos o más etapas.
Actividades
4. Buscar en el entorno equipos de refrigeración (aire acondicionado, frigorífico, etc.) e intentar deducir su ciclo termodinámico.
5. ¿Sería posible el uso de placas solares para calentar el agua necesaria para el ciclo de absorción? Investigar sobre esta aplicación solar.
La higrometría es la parte de la física que se encarga de la medición de la humedad atmosférica. El aire siempre contiene una cierta cantidad de humedad, es decir, está compuesto por una mezcla de aire seco y vapor de agua. La higrometría es la característica del aire que transporta el vapor de agua.
El vapor de agua puede encontrarse en varios estados:
Importante
Si en una mezcla de aire saturado se aumenta la cantidad de vapor, se llegará a la condensación, pasando el vapor de agua a su estado líquido.
Existen numerosos conceptos y parámetros para medir la humedad, siendo los más característicos:
Sabía que...
Existe un aparato de medida llamado “psicrómetro”, el cual está formado básicamente por un termómetro de bulbo húmedo y uno de bulbo seco. Haciendo pasar aire a través de este instrumento se toman lecturas de ambas temperaturas, pudiendo determinar mediante tablas la humedad relativa del aire.
De todos estos conceptos, el más utilizado es el de humedad relativa. Basándose en este, se definen cinco clases de higrometría, o clases higrométricas. Cada clase depende del uso al que esté destinado el edificio o recinto a climatizar.
| Clase de higrometría | Tipo de edificio |
| 1 | Zonas de almacenamiento. |
| 2 | Oficinas, tiendas. |
| 3 | Viviendas de baja ocupación. |
| 4 | Viviendas de alta ocupación, pabellones deportivos, cocinas, cantinas, edificios calefactados con estufas sin chimenea de evacuación de humos. |
| 5 | Edificios especiales; por ejemplo: lavanderías, restaurantes, piscinas. |
La determinación de la clase de higrometría, y por consecuencia de la humedad del aire, es muy importante, no solo para cumplir con la normativa vigente o para el diseño de los equipos, sino para el bienestar de las personas. Es por ello que existen numerosos instrumentos para determinar la humedad relativa, como pueden ser psicrómetros e higrómetros mecánicos, eléctricos o espectroscópicos.
Los diagramas psicrométricos son una herramienta muy útil a la hora de determinar la higrometría de una determinada zona. Mediante estos diagramas se puede obtener de forma directa la mayoría de las propiedades higrométricas del aire para una presión determinada.
En la siguiente figura se muestra un diagrama psicrométrico básico para una presión atmosférica de 1 atm (presión al nivel del mar).
En este diagrama se representan las siguientes propiedades:
Importante
Cada diagrama psicrométrico es exclusivo para una presión, existiendo tantos diagramas como posibles valores de presión atmosférica.
Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, se puede determinar el resto por lectura directa. A continuación se desarrollan brevemente cada una de estas propiedades en el diagrama psicrométrico.
Temperatura de bulbo seco
La temperatura de bulbo seco aparece en el diagrama en el eje horizontal, en la parte baja del diagrama.
Temperatura de bulbo húmedo
La escala de temperatura de bulbo húmedo se encuentra en el lado superior izquierdo del diagrama, sobre su parte curva, formando diagonales hasta cortar con los ejes.
Temperatura de punto de rocío
La escala de temperatura de punto de rocío coincide con la escala de temperatura de bulbo húmedo, sin embargo, las líneas de punto de rocío discurren horizontalmente
Humedad relativa
Las líneas de humedad relativa son las curvas que se extienden hacia la parte superior derecha del diagrama. Sus valores se expresan en tanto por ciento, y normalmente en intervalos del 10%.
Humedad absoluta
La escala de humedad absoluta se encuentra en el eje vertical derecho del diagrama, formando líneas horizontales. Las líneas de humedad absoluta coinciden con las líneas de punto de rocío.
Entalpía
La escala de entalpía se encuentra en la parte superior izquierda del diagrama, y sus líneas coinciden con las líneas de temperatura de bulbo húmedo.
Nota
El calor es una forma de energía. Es por ello que se pueda expresar tanto en calorías como en julios.
1.000 cal = 4.186,8 J.
Volumen específico
Las líneas de volumen específico recorren diagonalmente el diagrama, pero no coinciden con las líneas de temperatura de bulbo húmedo. La escala de volumen específico se divide en tramos de 0,05 m3/kg.
Se expone a continuación un ejemplo de cómo determinar los parámetros higrométricos a partir de dos valores fáciles de medir, como son la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo:
Supóngase una muestra de aire sobre la cual se ha medido una temperatura de bulbo seco de 35 °C y de bulbo húmedo de 22 °C. En primer lugar se marcará un punto donde estas dos líneas se cruzan, punto A. Este es el único punto del diagrama donde existen ambas condiciones (bs = 35 °C y bh = 22 °C). El resto de parámetros se obtiene simplemente siguiendo las líneas de cada escala, sin importar el orden. Para determinar el punto de rocío se continúa el punto A horizontalmente hacia la izquierda hasta llegar a la escala de punto de rocío, que coincide con la escala de temperatura de bulbo húmedo. En el ejemplo, el punto de rocío se encuentra a 15,8 °C, punto B.
Para determinar la humedad absoluta se continúa el punto A horizontalmente hacia la derecha, hasta llegar a la escala de humedad absoluta. En el ejemplo resulta una humedad absoluta de 11,3 gr/kg de aire seco, punto C.
La humedad relativa se determina según la posición del punto A respecto a las líneas de humedad relativa. En el ejemplo, la humedad relativa se encuentra entre el 30% y el 40%. Se podría estimar una humedad relativa del 32%, ya que el punto A se encuentra más próximo a la línea de 30%.
Al igual que la humedad relativa, el volumen específico se determina según la posición del punto A respecto a las líneas de volumen específico. En el ejemplo, el volumen específico se encuentra entre 0,85 y 0,9 m3/kg de aire seco, pudiéndose estimar un volumen específico de 0,89 m3/kg de aire seco, ya que el punto A se encuentra más próximo a la línea de 0,9.
Para determinar la entalpía se ha de trazar desde el punto A una línea paralela a las líneas de entalpía hasta cortar la escala de entalpía. En el ejemplo se obtiene una entalpía de 64,6 kJ/kg de aire seco, punto D.
Aplicación práctica
Para una mezcla de aire seco y vapor de agua, a 1 atm, se observa que la temperatura de bulbo seco es de 20 °C y la temperatura de bulbo húmedo de 18 °C. Calcule el resto de parámetros higrométricos mediante el diagrama psicrométrico de la imagen anterior.
SOLUCIÓN
Con las condiciones dadas (bs = 20 °C, bh = 18 °C y P = 1 atm), los resultados obtenidos para los parámetros higrométricos son:
La producción de frío es un fenómeno de absorción de calor, siendo la fuente de calor el objeto o el espacio a enfriar. Los procesos de refrigeración más usados son los procesos físicos, concretamente los sistemas usuales para refrigeración son sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso. Todos estos procesos son ciclos termodinámicos formados por varios estados termodinámicos, definido cada uno por sus propiedades: presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura. En todo ciclo termodinámico existirán al menos un foco frío y un foco caliente, transmitiéndose el calor del primero al segundo en los ciclos de refrigeración.
El ciclo ideal, utilizado como referencia para el resto, es el ciclo inverso de Carnot. Este ciclo representa la mayor eficiencia energética posible. En la práctica se utiliza el ciclo de refrigeración por compresión, usando un fluido compresible, diferenciándose físicamente del ciclo de Carnot en que sustituye la turbina por una válvula de expansión.
En los sistemas que utilizan aire como fluido caloportador se describe el ciclo de Joule-Brayton, siendo igualmente un ciclo ideal, ya que, entre otras cosas, tanto compresor como expansor poseen un rendimiento interno que hace que el trabajo teórico difiera del real.
La higrometría se encarga de la medición de la humedad atmosférica. El vapor de agua puede encontrarse en varios estados: vapor saturado, vapor sobrecalentado o aire saturado. Los parámetros más utilizados para medir la humedad del aire son: presión de vapor, humedad absoluta, específica y relativa, punto de rocío y temperatura de bulbo húmedo y seco. Basándose en esto se definen las cinco clases de higrometría, en función del tipo de edificio y del uso que se prevea.
Los parámetros de humedad del aire son complicados de calcular o medir, por lo que se utilizan los diagramas psicrométricos para su determinación. En estos diagramas basta conocer dos parámetros para obtener el resto de forma directa.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.
2. Enumere los parámetros más característicos para medir la humedad.
3. Dibuje un esquema representando las distintas etapas de un ciclo de refrigeración por compresión.
4. Complete.
En los sistemas por ___________ la sustracción de ___________ del objeto o espacio a refrigerar se utiliza para pasar una sustancia de estado sólido a estado líquido.
5. ¿Qué es el punto de rocío?
6. ¿En qué clase higrométrica se incluiría una sala de cine?
7. ¿Por qué motivo se sustituye la turbina por una válvula de expansión en el ciclo de refrigeración por compresión?
8. Enumere las propiedades del aire representadas en un diagrama psicrométrico.
9. ¿Qué diferencia existe entre el ciclo de Joule-Brayton y el ciclo de refrigeración por compresión?
10. Describa brevemente los pasos a seguir para determinar los parámetros de humedad a partir de las temperaturas de bulbo húmedo y seco usando un diagrama psicrométrico.
11. ¿Cuántos grados Kelvin serían 25 °C? ¿Cuántos grados centígrados serían 270 K?
12. Enumere las etapas de un ciclo de Joule-Brayton.
13. Un proceso isócoro es un proceso en el cual no varía...
14. Explique brevemente las leyes de la termodinámica.
15. Utilizando un diagrama psicrométrico determine los parámetros de humedad del aire a bs = 25 °C y bh = 23 °C, a una presión de 1 atm.
