AnAãÆAílisis-de-las-irreversibilidades-en-un-sistema-de-refrigerac

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
LABORATORIO DE INGENIERIA TERMICA E HIDRÁULICA APLICADA 
 
 
 
 
ANÁLISIS DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN UN 
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN 
MECANICA DE VAPOR CON REFRIGERANTE 134a 
 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN INGENIERIA MECANICA 
 
 
PRESENTA 
 
 
Ing. Carlos Rangel Romero 
 
 
Director de Tesis: Dr. Pedro Quinto Diez 
 
 
 
 
 
Septiembre del 2003 
 
 
 
 
 
Índice general 
INDICE GENERAL 
 
 DESCRIPCION PAG 
 Lista de figuras y tablas I 
 Nomenclatura VII 
 Resumen IX 
 Abstract X 
 Introducción XI 
 
CAPITULO 1 
ANTECEDENTES 
1.1 Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor 1 
1.1.1 Ciclo de compresión de vapor ideal 3 
1.1.2 Ciclo de compresión de vapor real 4 
1.2 Refrigerantes y sus propiedades 7 
1.2.1 Criterios de selección del refrigerante 7 
1.3 Refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC) de sustitución 8 
1.3.1 Propiedades del refrigerante HFC-134a 9 
1.3.2 Nomenclatura de los refrigerantes 10 
CAPITULO 2 
ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL CICLO DE REFRIGERACION 
2.1 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 13 
2.1.1 Segunda ley de la termodinámica 13 
2.1.2 Ecuaciones de la primera y segunda leyes de la termodinámica 14 
2.2 Análisis energético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de 
vapor 
15 
2.3 Análisis exergético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de 
vapor 
17 
2.4 Metodología para obtener las irreversibilidades en cada componente del sistema 21 
Índice general 
de refrigeración 
2.5 Base de datos del sistema de refrigeración 25 
 
CAPITULO 3 
INSTALACIÓN EXPERIMENTAL 
3.1 Descripción del equipo experimental 26 
3.1.1 Unidad condensadora enfriada por aire 26 
3.1.2 Evaporador 29 
3.1.3 Válvula de expansión termostática 31 
3.1.4 Calentador de agua 31 
3.1.4.1 Depósito de agua 33 
3.1.5 Sistema de control 34 
3.1.6 Tuberías 35 
3.1.7 Sistema de adquisición de datos 36 
3.1.8 Instrumentos de medición 36 
3.1.8.1 Termopares 37 
3.1.8.2 Transductores 37 
CAPITULO 4 
DESARROLLO DE LA EXPERIMENTACION 
4.1 Planeación de la experimentación 39 
4.2 Procedimiento de la experimentación 41 
4.3 Desarrollo de la experimentación y datos obtenidos 41 
4.3.1 Flujo de agua de 0.5 l/s 42 
4.3.2 Flujo de agua de 1.0 l/s 46 
4.3.3 Flujo de agua de 1.1 l/s 50 
4.4 Gráfica de los resultados 54 
4.4.1 Flujo de agua de 0.5 l/s 55 
4.4.2 Flujo de agua de 1.0 l/s 56 
4.4.3 Flujo de agua de 1.1 l/s 57 
Índice general 
CAPITULO 5 
ANALISIS DE RESULTADOS 
5.1 Análisis de los resultados experimentales 59 
5.1.1 Análisis de los resultados a 0.5 l/s 59 
5.1.2 Análisis de los resultados a 1.0 l/s 63 
5.1.3 Análisis de los resultados a 1.1 l/s 67 
 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 71 
 Conclusiones 71 
 Recomendaciones 72 
 Bibliografía 73 
 Anexo A 76 
 Anexo B 88 
 Anexo C 94 
 Anexo D 100 
 
 
 
 Lista de figuras y tablas 
 I 
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS 
 
FIGURAS 
 
FIGURA DESCRIPCION PAGINA 
1.1 Componentes del sistema de refrigeración por compresión mecánica 
de vapor 
2 
1.2 Diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor 
3 
1.3 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor. 
6 
1.4 Comparación del ciclo de refrigeración real e ideal 6 
1.5 Secuencia para obtener el HFC-134a 9 
2.1 Flujo de energía en un sistema termodinámico abierto 14 
2.2 Diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor 
16 
2.3 Componentes básicos de un sistema real de refrigeración por 
compresión mecánica de vapor 
18 
3.1 Unidad condensadora 27 
3.2 Accesorios secundarios de la unidad condensadora 29 
3.3 Evaporador ( Intercambiador de calor). 30 
3.4 Válvula de expansión termostática 31 
3.5 Calentador de agua 32 
3.6 Depósito de agua 33 
3.7 Motor agitador 34 
3.8 Sistema de control 35 
3.9 Sistema de adquisición de datos 37 
4.1 Puntos de medición del sistema de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor. 
40 
 Lista de figuras y tablas 
 II 
4.2 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s 43 
4.3 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s 45 
4.4 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.0 l/s 47 
4.5 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.0 l/s 49 
4.6 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 51 
4.7 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 53 
4.8 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s. 55 
4.9 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s 56 
4.10 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s. 57 
4.11 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s 57 
4.12 Diagrama p-h de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s 58 
4.13 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s 58 
5.1 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo a 0.5 l/s 60 
5.2 Potencia suministrada al compresor a 0.5 l/s 60 
5.3 Comportamiento del COP real a 0.5 l/s 61 
5.4 Obtención del punto de operación óptimo a 0.5 l/s 62 
5.5 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia 
suministrada 
62 
5.6 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo a 1.0 l/s 64 
5.7 Potencia suministrada al compresor a 1.0 l/s 64 
5.8 Comportamiento del COP real a 1.0 l/s 65 
5.9 Obtención del punto de operación óptimo a 1.0 l/s 65 
5.10 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia 
suministrada 
66 
5.11 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo a 1.1 l/s 67 
5.12 Potencia suministrada al compresor a 1.1 l/s 68 
5.13 Comportamiento del COP real a 1.1 l/s 68 
5.14 Obtención del punto de operación óptimo a 1.1 l/s 69 
5.15 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia 
suministrada 
69 
 Lista de figuras y tablas 
 III 
FIGURAS EN LOS ANEXOS 
 
B.1 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s 88 
B.2 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s 88 
B.3 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s 89 
B.4 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s 89 
B.5 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.0 l/s 90 
B.6 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.0 l/s 90 
B.7 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.0 l/s 91 
B.8 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.0 l/s 91 
B.9 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 92 
B.10 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 92 
B.11 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 93 
B.12 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 93 
C.1 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s. 94 
C.2 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s 94 
C.3 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s. 95 
C.4 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s 95 
C.5 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s. 96 
C.6 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s 96 
C.7 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s. 97 
C.8 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s 97 
C.9 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 98 
C.10 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 98 
C.11 Comportamiento de lastemperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 99 
C.12 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 99 
D.1 Carga térmica a 0.5 l/s 100 
D.2 Comportamiento del COP a 0.5 l/s 100 
D.3 Comparación del COP a 0.5 l/s 101 
 Lista de figuras y tablas 
 IV 
D.4 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 0.5 l/s 101 
D.5 Carga térmica a 0.5 l/s 102 
D.6 Comportamiento del COP a 0.5 l/s 102 
D.7 Comparación del COP a 0.5 l/s 103 
D.8 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 0.5 l/s 103 
D.9 Carga térmica a 1.0 l/s 104 
D.10 Comportamiento del COP a 1.0 l/s 104 
D.11 Comparación del COP a 1.0 l/s 105 
D.12 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 1.0 l/s 105 
D.13 Carga térmica a 1.0 l/s 106 
D.14 Comportamiento del COP a 1.0 l/s 106 
D.15 Comparación del COP a 1.0 l/s 107 
D.16 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 1.0 l/s 107 
D.17 Carga térmica a 1.1 l/s 108 
D.18 Comportamiento del COP a 1.1 l/s 108 
D.19 Comparación del COP a 1.1 l/s 109 
D.20 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 1.1 l/s 109 
D.21 Carga térmica a 1.1 l/s 110 
D.22 Comportamiento del COP a 1.1 l/s 110 
D.23 Comparación del COP a 1.1 l/s 111 
D.24 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 1.1 l/s 111 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Lista de figuras y tablas 
 V 
TABLAS 
 
TABLA DESCRIPCION PAGINA 
1.1 Propiedades físicas del HFC-134a 12 
2.1 Cálculo de irreversibilidades 22 
4.1 Desarrollo de pruebas experimentales 39 
4.2 Lecturas realizadas a los componentes del sistema de refrigeración 40 
4.3 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 42 
4.4 Presión del refrigerante a 0.5 l/s 44 
4.5 Temperatura del agua y medio ambiente 45 
4.6 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s 46 
4.7 Temperatura del refrigerante a 1.0 l/s 47 
4.8 Presión del refrigerante a 1.0 l/s 48 
4.9 Temperatura del agua y medio ambiente 49 
4.10 Medidas de energía eléctrica a 1.0 l/s 50 
4.11 Temperatura del refrigerante a 1.1 l/s 51 
4.12 Presión del refrigerante a 1.1 l/s 52 
4.13 Temperatura del agua y medio ambiente 53 
4.14 Medidas de energía eléctrica a 1.1 l/s 54 
5.1 Cálculos realizados y ecuaciones aplicadas 59 
5.2 Resultados experimentales a 0.5 l/s 63 
5.3 Resultados experimentales a 1.0 l/s 67 
5.4 Resultados experimentales a 1.1 l/s 70 
 
 
 
 
 
 
 Lista de figuras y tablas 
 VI 
TABLAS EN LOS ANEXOS 
 
A.1 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 76 
A.2 Presión del refrigerante a 0.5 l/s 76 
A.3 Temperatura del agua y medio ambiente 77 
A.4 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s 77 
A.5 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 78 
A.6 Presión del refrigerante a 0.5 l/s 78 
A.7 Temperatura del agua y medio ambiente 79 
A.8 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s 79 
A.9 Temperatura del refrigerante a 1.0 l/s 80 
A.10 Presión del refrigerante a 1.0 l/s 80 
A.11 Temperatura del agua y medio ambiente 81 
A.12 Medidas de energía eléctrica a 1.0 l/s 81 
A.13 Temperatura del refrigerante a 1.0 l/s 82 
A.14 Presión del refrigerante a 1.0 l/s 82 
A.15 Temperatura del agua y medio ambiente 83 
A.16 Medidas de energía eléctrica a 1.0 l/s 83 
A.17 Temperatura del refrigerante a 1.1 l/s 84 
A.18 Presión del refrigerante a 1.1 l/s 84 
A.19 Temperatura del agua y medio ambiente 85 
A.20 Medidas de energía eléctrica a 1.1 l/s 85 
A.21 Temperatura del refrigerante a 1.1 l/s 86 
A.22 Presión del refrigerante a 1.1 l/s 86 
A.23 Temperatura del agua y medio ambiente 87 
A.24 Medidas de energía eléctrica a 1.1 l/s 87 
 
 
 Nomenclatura 
 VII 
NOMENCLATURA 
 
COP Coeficiente de operación 
C Calor especificó del fluido kJ/kg K 
h Entalpía kJ/kg 
I irreversibilidad kW 
kW kilowatt ºC 
kPa kilopascal ºC 
l/s Litros sobre segundo 
mr Flujo másico del refrigerante kg/s 
m Flujo másico del fluido kg/s 
P Presión kPa 
P Potencia suministrada al compresor kW 
QA Sumidero de calor kJ 
QB Fuente de calor kJ 
QO Carga térmica kW 
Q Calor absorbido o disipado kW 
q2-3 Calor de condensación kJ/kg 
q4-1 Efecto refrigerante kJ/kg 
S Entropía kJ/kJ K 
Sgen Entropía generada kJ/kJ K 
T0 Temperatura ambiente ºC 
T∆ Diferencia de temperaturas 
TR Temperatura promedio en el evaporador 
TAGUA Temperatura del agua ºC 
Tent,evap Temperatura del agua a la entrada del evaporador ºC 
Tsal,evap Temperatura del agua a la salida del evaporador ºC 
Tambiente Temperatura ambiente ºC 
*Tprom Temperatura promedio en el condensador ºC 
**Tprom Temperatura promedio en el evaporador ºC 
 Nomenclatura 
 VIII 
V2/2 Energía cinética kJ/kg 
Vg Volumen especifico m
3/kg 
x calidad 
w Trabajo mecánico especifico kJ/kg 
W Trabajo mecánico kJ/kg 
Z Energía potencial kJ/kg 
 
Subíndice 
 
Comp Compresor 
cond Condensador 
COND Condensante 
e Entrada 
endo Endorreversible 
evap Evaporador 
f Propiedades de estado liquido 
fg Propiedades de estado liquido-vapor 
g Propiedades de estado vapor 
i Inicial 
int Interno 
Irrev. Irreversibilidad 
leak Fugas al exterior 
Pot. Potencia 
rev Reversible 
s Salida 
sat Saturado 
Sist Sistema 
Sum. Suministrada 
vap Vapor 
 
 Abstract 
 IX
 
RESUMEN 
 
En este trabajo se desarrollo una metodología para determinar las irreversibilidades generadas en 
los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor. La metodología desarrollada fue 
probada en un sistema de refrigeración experimental instalado en el Laboratorio de Ingeniería 
Térmica e Hidráulica (LABINTHAP) de la SEPI-ESIME-IPN. 
 
La evaluación de las irreversibilidades se hizo para cada uno de los componentes del sistema de 
refrigeración (evaporador, línea de succión, compresor, línea de descarga, condensador, línea de 
liquido y la válvula de expansión). También se analizo la evoluación de la carga térmica que 
incide directamente sobre las irreversibilidades originadas en el sistema de refrigeración 
 
Para el análisis de las irreversibilidades, se utilizaron tres diferentes flujo de agua (0.5 l/s, 1.0 l/s 
y 1.1 l/s), obteniéndose información valiosa sobre el uso de la energía en los sistemas de 
refrigeración por compresión mecánica de vapor. El refrigerante empleado en este trabajo fue el 
R-134a. 
 
En este trabajo se identifico donde se originan las mayores irreversibilidades al variar el flujo de 
agua que circula a través del evaporador. También los resultados experimentales demostraron que 
las mayores irreversibilidades se originaron en el compresor y el condensador del sistema de 
refrigeración. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Abstract 
 X
 
ABSTRACT 
 
 
In this work shows a methodology developed to determine irreversibilities caused by mechanic 
steam compression refrigeration system. This methodology developed was tested on the 
experimental refrigeration system installed an the Thermal Engineering Laboratory and Applied 
Hydraulics (LABINTHAP) of the SEPI-ESIME-IPN. 
 
 
The analysis of theirreversibilities was made for every one refrigeration system component 
(evaporator, line suction, compressor, line blast, condenser, liquid line, and expansion valve). 
Besides the mass flow was examined. 
 
 
For the analysis of the irreversibilities was employed three different mass flow (0.5, 1.0, 1.1 l/s), 
thus yielding valuable information was obtained about the use of energy in the mechanic steam 
compression refrigeration system. The refrigerant applied in this work was the R-134a. 
 Introducción 
 XI
INTRODUCCION 
 
En el presente trabajo se analizan las irreversibilidades originadas en el evaporador, compresor, 
condensador y válvula de expansión en el sistema de refrigeración por compresión mecánica de 
vapor. 
 
El análisis teórico se fundamenta en la aplicación de la primera y segunda ley de la 
termodinámica , dicho análisis se aplico en el sistema de refrigeración por compresión mecánica 
de vapor experimental instalado en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 
(LABINTHAP). 
 
Para el an álisis experimental se colocaron termopares y transductores de presión a la entrada y 
salida del evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. En este análisis se 
hicieron circular tres diferentes flujos de agua a través del evaporador, que son 0.5, 1.0, 1.1 l/s, la 
duración de cada prueba experimental es de 2 horas. 
 
Durante la fase experimental la presión de condensación no presento variación, mientras que la 
presión de evaporación disminuye conforme la temperatura de agua a enfriar disminuye. Con lo 
que respecta a las irreversibilidades se demostro que no siempre la mayor irreversibilidad la 
presenta el compresor. 
 
Durante la prueba experimental se encontró un punto de operación óptimo en el que se tiene la 
menor irreversibilidad en todo el sistema de refrigeración durante las dos horas de la prueba 
experimental. 
 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 1 
Capítulo 1 
 
Antecedentes 
 
En este capítulo se exponen las características fundamentales de los sistemas de refrigeración por 
compresión mecánica de vapor, posteriormente se describen los ciclos ideal y real de 
refrigeración por compresión mecánica de vapor, y se muestran las diferencias entre estos dos 
ciclos de refrigeración. También se presentan y se describen los factores que provocan las 
irreversibilidades en el ciclo de refrigeración real, y por último se revisan las características 
técnicas y las prop iedades del refrigerante empleado en este trabajo. 
 
1.1. Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor. 
 
La refrigeración, y en particular la que se realiza por medio de los sistemas de refrigeración por 
compresión mecánica de vapor, son import antes en la vida moderna, ya que se aplican en todas 
las actividades de la sociedad: en los sectores industrial, comercial y doméstico. 
 
Los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor se basan en el aprovechamiento 
de las propiedades que tienen los refrigerantes de evaporarse a bajas temperaturas, a presión 
mayor que la atmosférica. 
 
La descripción de la operación del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor es 
la siguiente: 
 
a) En el evaporador el refrigerante absorbe calor de la sustancia a enfriar, que puede ser un 
fluido o un depósito, disminuyendo así la temperatura de la misma; durante este proceso 
se efectúa el cambio de fase del refrigerante de líquido a vapor. Este proceso se conoce 
como “evaporación”. 
 
b) En la línea de succión, el refrigerante circula del evaporador al compresor y absorbe calor 
del medio ambiente, debido a que al salir del evaporador, el refrigerante tiene una 
temperatura menor que la del medio ambiente. 
 
c) En el compresor se suministra trabajo mecánico al refrigerante, por lo que incrementa su 
temperatura y presión; esto es necesario para que posteriormente pueda condensarse. Este 
proceso se conoce como de “compresión”. 
 
d) En la línea de descarga, el refrigerante circula del compresor al condensador y rechaza 
calor hacia el medio ambiente, ya que la temperatura del refrigerante es mayor que la 
temperatura del medio ambiente, debido al incremento de temperatura y presión que le 
proporcionó el compresor. 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 2 
e) En el condensador, el refrigerante rechaza calor hacia el medio condensante, que puede 
ser el medio ambiente o un fluido de enfriamiento. Aquí ocurre el cambio de fase de 
vapor a líquido. Este proceso se conoce como de “condensación”. En estas condiciones de 
líquido a alta presión y alta temperatura, el refrigerante entra al recipiente de 
almacenamiento. 
 
f) En la línea de líquido, el refrigerante circula del recipiente de almacenamiento a la válvula 
de expansión, y en esta línea el refrigerante, rechaza calor hacia el medio ambiente. 
 
g) En la válvula de expansión, el refrigerante disminuye su presión y temperatura, pasando 
de un líquido de alta presión y alta temperatura a una mezcla líquido-vapor de baja 
calidad a baja presión y baja temperatura. La válvula de expansión también tiene la 
función de regular el flujo de refrigerante hacia el evaporador. Este proceso recibe el 
nombre de “expansión”. 
 
A la salida de la válvula de expansión, el refrigerante entra nuevamente al evaporador y así se 
completa el ciclo de refrigeración. 
 
En la figura 1.1 se muestra un esquema del sistema de refrigeración por compresión mecánica de 
vapor. 
 
Figura 1.1 Componentes del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor 
 
 
 
DEPOSITO 
DE AGUA
CONDENSADOR
EVAPORADOR
COMPRESOR
VALVULA DE 
EXPANSION
RECIPIENTE
LINEA DE 
SUCCION
LINEA DE 
DESCARGA
LINEA DE 
LIQUIDO
FILTRO
MIRILLA
VENTILADOR DEL 
CONDENSADOR
MOTOR 
ELECTRICO
CONDENSADOR
EVAPORADOR
COMPRESOR
VALVULA DE 
EXPANSION
RECIPIENTE
LINEA DE 
SUCCION
LINEA DE 
DESCARGA
LINEA DE 
LIQUIDO
FILTRO
MIRILLA
VENTILADOR DEL 
CONDENSADOR
MOTOR 
ELECTRICO
Capítulo 1 Antecedentes 
 3 
1.1.1. Ciclo de compresión de vapor ideal. 
 
En el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor, se hacen las siguientes 
consideraciones: 
 
• No existen caída de presión en los equipos y componentes del sistema. 
 
• No hay transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, en las líneas 
de succión, de descarga y de líquido. 
 
• El proceso de compresión se realiza en forma isentrópica (adiabática-reversible). 
 
Las consideraciones anteriores permiten suponer que las propiedades del refrigerante a la salida 
de cada componente del sistema son las mismas que las de la entrada del siguiente componente, 
por lo que el ciclo ideal de refrigeración es más fácil de estudiar. 
 
El ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor se compone de cuatro procesos 
termodinámicos, que son los que se describen a continuación, y que se muestran gráficamente en 
la figura 1.2, que corresponde a la representación del ciclo ideal de refrigeración en el diagrama 
de Mollier. 
 
Figura 1.2 Diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor. 
 
a).- Proceso de evaporación (4-1).- Este proceso se realiza a presión constante (isobárico) en el 
evaporador; el refrigerante pasa del estado de mezcla líquido-vapor a baja presión y baja 
temperatura, a vapor saturado a la misma presión y temperatura. Este cambio de fase sucede 
debido a que el refrigerante absorbe calor de la sustancia ó del espacio a enfriar. 
 
 
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 (
kP
a)
4
3 2
1
Evaporación
Condensación
Expansión Compresión
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 (
kP
a)
4
3 2
1
Evaporación
Condensación
Expansión Compresión
Capítulo 1 Antecedentes 
 4 
b).- Proceso de Compresión(1-2).- El proceso se realiza en forma adiabática, reversible 
(isoentrópico) en el compresor; el refrigerante pasa de vapor saturado de baja presión y baja 
temperatura a vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura. 
 
c).- Proceso de Condensación (2-3).- Este proceso se realiza a presión constante (isobárico) en el 
condensador; el refrigerante pasa de vapor sobrecalentado a líquido saturado a alta presión y a la 
temperatura de saturación que corresponde a la presión de saturación. 
 
d).- Proceso de Expansión (3-4).- Este proceso se realiza a entalpía constante en la válvula de 
expansión; el refrigerante disminuye de presión, pasando de la presión de condensación a la 
presión de evaporación, saliendo como una mezcla de líquido-vapor de baja calidad. 
 
1.1.2 Ciclo de compresión de vapor real 
 
El ciclo real de refrigeración difiere del ciclo ideal, porque se hacen las siguientes 
consideraciones que no se toman en cuenta en el ciclo ideal. 
 
• Existen caídas de presión en todos los equipos y componentes del sistema, excepto en el 
compresor, que es el equipo que compensa todas las pérdidas de presión. 
 
• Se presentan intercambios de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, tanto en los 
equipos como en las líneas de succión, de descarga y de líquido 
 
• El proceso de compresión no es isoentrópico; en el mejor de los casos puede ser 
adiabático irreversible. 
 
• El fluido de trabajo (refrigerante) no es una sustancia pura, sino una mezcla de 
refrigerante y lubricante. 
 
Estos situaciones causan irreversibilidades en el sistema de refrigeración y por cada una de ellas 
se requiere suministrar una potencia adicional por medio del compresor para contrarrestar sus 
efectos. Las irreversibilidades no se pueden evitar, pero se deben de reducir a un mínimo para 
reducir la potencia adicional suministrada. 
 
Los procesos que se efectúan en un ciclo de refrigeración real son los siguientes: 
 
1. Proceso de Evaporación (4-1).- En este proceso el refrigerante pasa de una mezcla de 
líquido y vapor a baja presión y baja temperatura a vapor sobrecalentado a baja presión. 
El sobrecalentamiento es necesario para asegurar que el refrigerante se evapore por 
completo, antes de entrar al compresor y así evitar posibles daños a este equipo, que es el 
más importante del sistema. Durante este proceso se presenta una caída de presión en el 
evaporador. 
 
2. Proceso en la Línea de succión (1-1´).- Cuando el refrigerante en estado de vapor 
sobrecalentado a baja temperatura fluye a través de esta línea, continúa absorbiendo calor 
Capítulo 1 Antecedentes 
 5 
del medio ambiente por encontrarse a menor temperatura que la del medio ambiente, por 
lo que se sigue sobrecalentando. Esta absorción de calor, cuando se lleva a cabo fuera del 
espacio a enfriar, no produce enfriamiento útil. Este sobrecalentamiento puede evitarse 
aislando la tubería. Adicionalmente se presenta una caída de presión, como consecuencia 
de la fricción del refrigerante en el interior de la tubería. 
 
3. Proceso de Compresión (1´-2).- En el compresor se producen diversas irreversibilidades, 
que incluyen las fricciones entre las piezas metálicas en movimiento y la transferencia de 
calor entre el refrigerante y el medio ambiente, como consecuencia del aumento de 
presión y temperatura que le proporciona el trabajo de compresión realizado por el 
compresor. Así, resulta un proceso de compresión politrópico y no isoentrópico. Como 
resultado del alejamiento del proceso isoentrópico, se presentan irreversibilidades que 
exigen el suministro de mayor energía mecánica con respecto al proceso ideal de 
compresión. 
 
4. Proceso en la Línea de Descarga (2-2´).- Al circular el refrigerante por esta línea, 
suministra calor al medio ambiente porque su temperatura es mayor a la del medio 
ambiente. Esta transferencia de calor es deseable porque de-sobrecalienta al refrigerante 
y así apoya la función del condensador. Como consecuencia del rozamiento entre el 
refrigerante y el interior de la tubería, se produce una caída de presión. 
 
5. Proceso de Condensación (2´-3).- En este equipo el refrigerante rechaza calor hacia el 
medio condensante, que puede ser aire ó agua. Como consecuencia de esta transferencia 
de calor, el refrigerante pierde el sobrecalentamiento y posteriormente se condensa. En 
este proceso se presenta una caída de presión. Además, se espera que el refrigerante sufra 
un subenfriamiento, que resulta benéfico porque aumenta el efecto refrigerante y asegura 
que el refrigerante entre a la válvula de expansión en estado líquido. 
 
6. Proceso en la Línea de Líquido(3-3´).- Esta línea une la salida del condensador y la 
entrada a la válvula de expansión, pasando por algunos dispositivos necesarios para evitar 
que el refrigerante arrastre impurezas que pudieran obstruir la válvula de expansión o 
dañar el compresor. Entre esos dispositivos se pueden considerar filtros, secadores, etc. Se 
presenta una transferencia de calor hacia el medio ambiente, así como una caída de 
presión. 
 
7. Proceso de Expansión (3´-4).- Al pasar el refrigerante por la válvula de expansión, sufre 
un proceso de estrangulamiento, que a diferencia del proceso ideal, se aleja ligeramente 
del proceso isoentálpico, que para efectos prácticos se puede ignorar porque este 
dispositivo es muy pequeño y la transferencia de calor que se presenta es insignificante. 
El refrigerante pasa de la presión de condensación a la presión de evaporación y sale de la 
válvula de expansión como una mezcla líquido-vapor de baja calidad, de baja presión y 
baja temperatura. 
 
En la figura 1.3 se muestran esquemáticamente el ciclo real de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor, en el diagrama P-h. 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 6 
 
Figura 1.3 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de vapor. 
 
 
En la figura 1.4 se muestra en diagrama P-h la comparación entre el ciclo real y el ciclo ideal de 
refrigeración por compresión mecánica de vapor. Se observa que las diferencias entre ambos 
ciclos se deben a las caídas de presión, el sobrecalentamiento y el subenfriamiento, entre otras. 
 
Figura 1.4 Comparación del ciclo de refrigeración real e ideal. 
 
 
 
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 
(k
P
a)
4
3
1
3´
1´
2
2´
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 
(k
P
a)
4
3
1
3´
1´
2
2´
 
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 
(k
P
a)
14
2
1´
2´
3
3´
1.E+02
1.E+03
1.E+04
150 200 250 300 350 400 450
Entalpía (kJ/kg)
P
re
si
ón
 
(k
P
a)
14
2
1´
2´
3
3´
Capítulo 1 Antecedentes 
 7 
1.2 Refrigerantes y sus propiedades. 
 
Se conoce como refrigerante a las sustancias que actúan como fluido de trabajo en los sistemas de 
refrigeración, absorbiendo calor de la sustancia o espacio a enfriar, a baja temperatura, y 
desechando calor a alta temperatura hacia el medio condensante. Para que una sustancia pueda 
utilizarse como refrigerante, esta debe poseer propiedades físicas, químicas y termodinámicas, 
que le permitan cumplir con la función asignada en forma segura, ecológica y económica [ ]2 . 
 
En la actualidad no existe ningún refrigerante que se pueda considerar ideal, debido a la amplia 
variedad de condiciones en las que tiene que trabajar, que dependen de las aplicaciones. Esto 
quiere decir que no existe un refrigerante que pueda ser usado para todas las aplicaciones, por lo 
que el refrigerante seleccionado para una aplicación determinada, debe ser aquel que cumpla con 
el mayor número de las siguientes características [ ]6 : 
 
ü Tener propiedades físicas y termodinámicas que permanezcan sin cambios en cada 
estado termodinámico. 
 
ü En su estado puro o mezclado con aire debe ser no-flamable, no-tóxico, no-explosivo. 
 
ü Estar disponible en el mercado a bajo costo.ü No representar riesgos de contaminación a los productos alimenticios almacenados y 
al medio ambiente, cuando se presente alguna fuga, así como tampoco presentar 
riesgos para la salud. 
 
ü Ser compatible con el lubricante y con los materiales de construcción del sistema. 
 
ü No dañar a los materiales del sistema de refrigeración cuando contenga humedad. 
 
1.2.1 Criterios de selección del refrigerante 
 
Los criterios que se deben considerar en la selección de los refrigerantes deben ser de tipo 
técnicos y de seguridad. A continuación se mencionan los más importantes[ ]5 : 
 
• Criterios Técnicos. 
 
Ø Punto de ebullición. 
 
Ø Efecto de refrigeración. 
 
Ø Relación de compresión. 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 8 
Ø Coeficiente de operación (COP). 
 
Ø Densidad. 
 
Ø Temperatura y presión crítica. 
 
Ø Punto de congelación. 
 
• Criterios de Seguridad. 
 
Los criterios de seguridad son muy importantes en la selección del refrigerante y es por esta 
razón que algunos refrigerantes, aún cuando poseen factores técnicos atractivos son de uso 
limitado. 
 
Para que un refrigerante sea el adecuado para su utilización, debe ser químicamente inerte, en el 
sentido de ser no flamable, no explosivo y no tóxico, tanto en estado puro como mezclado en 
cualquier proporción con el aire. 
 
Es importante observar estos criterios para la selección de los refrigerantes, ya que dependiendo 
de su uso, se podrá escoger el más adecuado. Pero además de estos factores, tanto técnicos como 
de seguridad, también se deben considerar los que se mencionan a continuación: 
 
Ø Estabilidad química y Efecto de la humedad. 
 
Ø Relación refrigerante-aceite. 
 
Ø Detección de fugas. 
 
Ø Costo y disponibilidad. 
 
1.3 Refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC) de sustitución. 
 
Las primeras máquinas de refrigeración se desarrollaron en 1834 por Perkins y después en 1856 
por Harrinson, utilizando éter como fluido refrigerante. En 1870 y 1880 se aplicaron el dióxido 
de carbono (CO2), al amoniaco (NH3) y el dióxido de sulfuro (SO 2), y a partir de 1932 los 
refrigerantes clorofluorocarbonos CFCs y los hidrofluorocabonos HCFCs empezaron a dominar 
el campo de este mercado, debido a sus características tecnológicas atractivas, al no ser tóxicos ni 
explosivos, además de contar con propiedades termodinámicas deseables y estabilidad química a 
las condiciones de trabajo [ ]12 . 
 
A pesar de estas características atractivas de los refrigerantes CFCs y HCFCs, en los últimos años 
se ha descubierto que son dañinos a la capa de ozono, por lo que ha surgido la necesidad de 
sustituirlos por sustancias que reúnan las mismas características. 
 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 9 
La solución inmediata al problema de la sustitución de refrigerantes, fue utilizar mezclas de 
refrigerantes ya existentes, obteniéndose así refrigerantes sustitutos con propiedades y 
características termo-físicas similares a las de los refrigerantes CFCs, pero con una menor 
agresividad al medio ambiente. Los refrigerantes obtenidos son los denominados refrigerantes 
hidrofluorocarbonados, HFCs, que se consideran alternativos por que se pueden usar en quipos 
ya existentes, a condición de que únicamente se reemplacen los componentes que pueden ser 
atacados por estos refrigerantes [ ]13 . 
 
Para la industria del Aire Acondicionado y Refrigeración, encontrar las sustancias sustitutas de 
estos compuestos representa un gran problema económico y de tiempo. La década pasada se 
comprobó que los refrigerantes CFCs y los HCFCs deben ser reemplazados por los refrigerantes 
hidrocarburos con propiedades similares. En la primera etapa se determinó sustituirlos 
refrigerantes CFCs por los HFCs; por ejemplo el R-11 por el R-123 y R-141b, para el R-12 se 
considera el R-134a que se empleará como fluido de trabajo[ ]10 . 
 
1.3.1 Propiedades del refrigerante HFC-134a ( FCHCF 23 ) 
 
Es un refrigerante que se deriva del etano y para su producción se sustituyen cuatro átomos de 
Hidrógeno por cuatro átomos de Flúor, como se muestra en la figura 1.5 [ ]12 . Se usa para 
reacondicionar equipos que actualmente funcionan con R-12 y también para equipos nuevos 
además es un refrigerante de sustitución en los sistemas de aire acondicionado para autos, pero 
sobre todo, se usa para aplicaciones de conservación de productos perecederos y para equipos 
nuevos de refrigeración doméstica. 
 
 
H H 
H C C H 
H H 
F H 
F C C F 
F H 
Refrigerante 
170 
 
Refrigerante 
HFC-134a 
 
Figura 1.5 Secuencia para obtener el HFC-134a 
Capítulo 1 Antecedentes 
 10 
Este refrigerante proporciona propiedades ventajosas por ser menos tóxico que el refrigerante R-
12; no es inflamable, no es corrosivo, es compatible con los equipos que están funcionando, tiene 
un índice de potencial de la destrucción de la capa de ozono de cero y su potencial de 
calentamiento de la tierra es de 0.28. 
 
A continuación se presentan las principales características del refrigerante R-134a[ ]11 . 
 
a).- Color y olor.- Líquido incoloro con ligero olor a éter. 
 
b).- Estabilidad ante el calor.- Es muy estable y no se descompone cuando se encuentra sometido 
a las temperaturas de utilización. 
 
c).- Corrosión ante los metales, juntas y lubricantes.- Presenta reacciones con los metales 
alcalinos y alcalinotérreos, y es menos agresivo que el R-12 ante los elastómeros. 
 
d).- Detección de fugas.- Las fugas se detectan por medio de rayos ultravioletas, o bien, 
empleando detectores electrónicos con un elemento sensible adaptado al mismo. 
 
e).- Aplicación.- Tiene la ventaja de poder aplicarse a todos los sectores de la refrigeración y de 
la climatización. 
 
Cuando el refrigerante R-134a se expone a altas temperaturas, como lo son las flamas o las 
resistencias eléctricas, producen productos tóxicos y compuestos irritantes del hidrógeno y flúor, 
que tienen un olor picante, irrita la nariz y la garganta. 
 
El nivel de seguridad para trabajar con el refrigerante R-134a de acuerdo con Dupont y evaluado 
por el AEL (Aceptable Expossure Limit) es de 1000 ppm entre 12 y 8 horas de exposición. 
Inhalar mayores cantidades de este refrigerante en estado de vapor, causa depresión temporal del 
sistema nervioso, irregularidades cardiacas, inconciencia y en dado caso la muerte instantánea. 
 
Cuando existe fuga de refrigerante, este se concentra cerca del suelo y efectúa el desplazamiento 
del oxígeno, por lo que es necesario hacer circular aire sobre el piso para evitar la concentración a 
ese nivel de ese refrigerante. Los vapores del refrigerante R-134a tienen un olor poco detectable, 
por lo que es recomendable verificar frecuentemente las instalaciones, para detectar si existen 
fugas. En estado líquido este refrigerante al contacto con la piel causa ámpulas, por lo que es 
recomendable lavarse con agua tibia la parte afectada para eliminar este efecto. 
 
1.3.2 Nomenclatura de los refrigerantes. 
 
Los refrigerantes antiguos (NH3, SO2, CO2, etc.) son refrigerantes inorgánicos u orgánicos y 
tienen nombres que pueden recordarse fácilmente, pero no ocurre lo mismo con los refrigerantes 
clorofluorados para los que es necesario hacer un esfuerzo de memoria para denominarlos por 
sus nombres químicos correctos, sobre todo si son de uso limitado, como ocurre con el 
diclorotetrafluoroetano, mejor conocido por el número indicativo R-114. A fin de resolver esta 
dificultad, se ha instaurado una nomenclatura numérica relacionada con la formula química 
Capítulo 1 Antecedentes 
 11 
correspondiente, iniciando en todos los casos con la inicial R, para indicar que se trata de un 
refrigerante. 
 
El número que designa al refrigerante se compone partiendo de su formula química, como se 
indica a continuación [ ]11 : 
 
Ø las unidades indican la cantidad de átomos de FLUOR 
Ø las decenas indican la cantidad de átomos de HIDRÓGENO más uno 
Ø las centenas señalan él numero de átomos de CARBONO menos uno 
Ø los átomos de CLORO no se toman en consideración 
 
 
Laspropiedades físicas del refrigerante R-134a se muestran en la tabla 1.1 [ ]13 . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 12 
PROPIEDADES FÍSICAS HFC-134A UNIDADES 
Nombre Químico Tetrafluoroetano 
Formula Química 
32 FCFCH 
Peso Molecular 102.03 
Punto de ebullición 
101.3 kPa 
 
-26.1 
 
°C 
Punto de congelación -96.6 °C 
Temperatura crítica 101.1 °C 
Presión crítica 4067 kPa 
Volumen crítico 1.81 L/kg 
Densidad crítica 515.3 
32.17 
kg/m3 
lb/ft3 
Densidad líquido 
25 °C 
77 °F 
 
1206 
75.28 
 
kg/m3 
lb/ft3 
Densidad (vapor saturado) en punto de ebullición 5.26 
0.328 
kg/m3 
lb/ft3 
Capacidad de calor (líquido) a 25 °C (77°F) 1.44 
0.340 
kJ/kg °K 
BTU/lb °F 
Capacidad de calor (vapor a presión cte.) a 25 °C 
(77 °F) y 1atm. (101.3 kPa-1.013 bar) 
0.852 
0.204 
kJ/kg °K 
BTU/lb °F 
Presión de vapor a 25 °C (77 °F) 666.1 
6.661 
kpa 
bar 
Calor de vaporización en su punto de ebullición 217.1 
93.4 
kJ/kg 
BTU/lb 
Conductividad térmica a 25 °C (77 °F)líquido 0.0824 
0.0478 
W/m °K 
BTU/h ft °F 
Vapor a 1 atm. 
101.3 kPa-1.013bar 
0.0145 
0.00836 
W/m °K 
BTU/h ft °F 
Viscosidad a 25 °C (77 °F) líquido. Vapor a 1 
atm.(1.013 bar) 
0.202 
0.012 
mPa S(cP) 
mPa S(cP) 
Solubilidad del HFC-134a en agua a 25 °C (77 °F) y 
1atm. 
0.15 % en peso 
Solubilidad del agua para el HFC-134a a 25 °C (77 °C) 0.11 % en peso 
Límites de flamabilidad con el aire a 1 atm. (1.013 bar) Ninguno % en 
volumen 
Temperatura de auto ignición 770 
1418 
°C 
°F 
Potencial de agotamiento de la capa de ozono 0 
Potencial del calentamiento de la tierra (GWP) 1200 
Potencial de calentamiento de la tierra con halo carbono 
(HGWP) 
0.28 
Toxicidad (límite aceptable de exposición 8 y 12 hrs.) 1000 ppm 
Tabla 1.1 Propiedades físicas del HFC-134a. 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 13 
Capítulo 2 
 
Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración. 
 
En este capítulo se describe el procedimiento que se sigue para realizar el análisis termodinámico 
del ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapor. Este análisis se basa en la 
aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica, para obtener las irreversibilidades 
generadas en el sistema de refrigeración. También se incluye el estudio del ciclo teórico y real del 
sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor. Para el ciclo real de refrigeración se 
realizan los cálculos de balance de energía, de flujo másico, de la potencia suministrada al 
compresor, del COP y las irreversibilidades generadas. 
 
2.1 Análisis energético del ciclo de refrigeración 
2.1.1 Segunda ley de la termodinámica 
 
La segunda ley de la termodinámica, establece el sentido de dirección de los procesos de 
transferencia de energía y muestra cuando una transformación de energía es posible, mientras que 
la primera ley de la termodinámica únicamente proporciona información sobre la conservación de 
la energía en las transformaciones de una forma a otra [ ]16 . 
 
A continuación se presentan los enunciados de la primera y segunda ley de la termodinámica. 
 
La primera ley de la termodinámica establece: 
 
Todos los cambios de energía interna de un sistema, únicamente se dan a partir de interacciones 
de trabajo y/o calor [ ]14 . 
 
La segunda ley de la termodinámica establece: 
 
En cualquier proceso de transferencia de energía, la calidad de la energía no puede ser 
conservada y tiende a degradarse[ ]11 . 
 
Cuando se combinan los enunciados de la primera y segunda ley de la termodinámica, se obtiene 
el siguiente enunciado: 
 
En cualquier proceso de transferencia de energía, la cantidad de energía se conserva, pero el 
nivel de la energía no puede ser conservado y se ve reducido aun nivel de energía más bajo [ ]14 . 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 14 
2.1.2 Ecuaciones de la primera y segunda leyes de la termodinámica 
 
Las ecuaciones de primera y segunda leyes de la termodinámica se presentan para un volumen de 
control que intercambia calor y trabajo mecánico con el exterior, y que únicamente tiene una 
entrada y una salida del flujo de masa, como se presenta en la figura 2.1 [ ]16 
 
Figura 2.1 Flujo de energía en un sistema termodinámico abierto. 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
La primera ley de la termodinámica aplicada al volumen de control de la figura describe el 
balance de energía, mediante la ecuación (1): 
 
Sist
if
s
s
e
e gz
VumgzVumWQgzVhmgzVhm 











++−





++=−+





++−





++
2222
2222
(2.1) 
 
Para flujo permanente y despreciando los cambios de energía cinética y potencial, el flujo de 
masa a la entrada y a la salida permanece constante y la variación de energía es nula, por lo tanto 
la ecuación (2.1) se simplifica a : 
 
( )es hhmWQ −=− (2.2) 
 
Esta ecuación (2.2) se puede aplicar para hacer el balance de energía del compresor, porque se le 
suministra potencia mecánica e intercambia calor con el exterior; para el evaporador, el 
Ze
Zs
me
ms
Ve
Vs
Entrada Salida
Energía del 
sistema
W
Q
Plano de referencia
Ze
Zs
me
ms
Ve
Vs
Entrada Salida
Energía del 
sistema
W
Q
Plano de referencia
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 15 
condensador y las diferentes tuberías a las que no se les suministra trabajo mecánico, pero 
intercambian calor con el exterior, la ecuación (2.2) se escribe como: 
 
( )es hhmQ −= (2.3) 
 
Para la válvula de expansión, a la que no se le suministra trabajo mecánico y tampoco 
intercambia calor con el exterior, la ecuación (2.2) queda como: 
 
hs-he=0 (2.4) 
 
Segunda ley de la termodinámica: 
 
En función de la entropía, la segunda ley de la termodinámica se expresa como: 
 
( ) ( ) ( ) genserevSistif SmsmsT
QSS ∆+Σ−Σ+∫=− δ (2.5) 
 
Para flujo permanente, la variación de entropía en el sistema es cero, por lo tanto la ecuación 
(2.5), queda 
 
( )
T
QssmS esgen −−=∆ (2.6) 
 
A partir de la ecuación (2.6), la irreversibilidad del volumen de control se calcula por la siguiente 
ecuación: 
 
OgenTSI ∆= (2.7) 
 
Donde TO es la temperatura del medio ambiente 
 
2.2 Análisis energético del ciclo ideal de refrigeración por compresión 
mecánica de vapor 
 
El ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor se obtiene a partir del ciclo 
Rankine, operando en sentido inverso y haciendo la siguiente sustitución de equipos: una válvula 
de expansión sustituye a la bomba y un compresor sustituye a la turbina. El ciclo ideal de 
refrigeración por compresión mecánica de vapor es reversible y sirve como modelo teórico para 
el estudio de los sistemas de refrigeración reales. 
 
Los procesos que ocurren en este sistema de refrigeración ideal se describen a continuación: 
 
q Absorción de calor a presión constante (4-1) 
q Compresión isentrópica (1-2) 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 16 
q Rechazo de calor a presión constante (2-3) 
q Estrangulamiento isoentálpico (3-4) 
 
En la figura 2.2 se representa el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor, 
mediante un diagrama T-s. 
 
 
Figura 2.2 Diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor. 
 
En la figura 2.2 se observa que el COP esta en función de las temperaturas de condensación y de 
la temperatura de evaporación, ya que si la temperatura de condensación se mantiene constante y 
la temperatura de evaporación disminuye, el trabajo de compresión aumenta, lo que trae como 
consecuencia queel COP disminuya. En el caso contrario, en el que la temperatura de 
evaporación se mantiene constante y la temperatura de condensación disminuye, el COP 
aumenta. 
 
Con todas las propiedades calculadas en los 4 puntos del ciclo ideal de refrigeración, se calculan 
los siguientes parámetros: 
 
Trabajo mecánico específico suministrado: 
 
1221 hhw −=− (2.8) 
 
 
 
0
20
40
60
80
100
120
0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Entropia (kJ/kg K)
T
em
pe
ra
tu
ra
 (°
C
)
1
2
3
4
2s
0
20
40
60
80
100
120
0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Entropia (kJ/kg K)
T
em
pe
ra
tu
ra
 (°
C
)
1
2
3
4
2s
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 17 
Efecto de condensación, o calor rechazado por unidad de masa: 
 
3232 hhq −=− (2.9) 
 
Efecto refrigerante: 
 
4114 hhq −=− (2.10) 
 
Coeficiente de operación, COP: 
21
14
−
−=
w
qCOPIDEAL (2.11) 
 
que también se puede expresar en función de las entalpías: 
 
12
41
hh
hhCOPIDEAL −
−= (2.12) 
 
2.3 Análisis exergético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica 
de vapor 
 
Los ciclos reales de refrigeración por compresión mecánica de vapor difieren de los ciclos 
ideales, por las irreversibilidades que se generan en los diferentes equipos del sistema. La fricción 
del refrigerante al circular por los componentes del sistema de refrigeración, que producen caídas 
de presión y las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y el medio con el intercambia 
calor, producen irreversibilidades en el sistema de refrigeración. Las irreversibilidades, aunque 
no se pueden evitar, se deben de reducir a un valor mínimo, porque traen como consecuencia la 
necesidad del suministro de una potencia adicional, para lograr la refrigeración deseada, ya que 
mientras las irreversibilidades aumenten también sucede lo mismo con la potencia suministrada 
al compresor. 
 
El análisis energético de los sistemas de refrigeración reales se hace aplicando la primera y 
segunda ley de la termodinámica, y a partir de conocer los valores de las propiedades del 
refrigerante en cada estado termodinámico del sistema de refrigeración, se hacen los cálculos del 
balance de energía, del flujo másico del refrigerante, de la potencia real suministrada al 
compresor y de las irreversibilidades generadas en cada uno de los componentes. Para ilustrar las 
características del ciclo real de refrigeración, se hace uso del sistema de refrigeración por 
compresión mecánica de vapor que se muestra en la figura 2.3. 
 
La carga térmica, que es el flujo de calor que el refrigerante absorbe en el evaporador, en este 
caso del agua que circula desde el depósito de agua, se expresa de la siguiente manera: 
 
aguaO TmcQ ∆= (2.13) 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 18 
 
Figura 2.3 Componentes básicos de un sistema real de refrigeración por compresión mecánica de 
vapor. 
 
El análisis termodinámico correspondientes a los diferentes procesos que ocurren en el sistema de 
refrigeración real, se indica a continuación. 
 
Proceso de evaporación (4-1) 
En este proceso, el refrigerante entra al evaporador como mezcla líquido-vapor a una baja 
temperatura y baja presión. Conforme el refrigerante absorbe calor del espacio a enfriar, se 
evapora y sale del evaporador como vapor sobrecalentado. 
 
Aplicando la primera ley de la termodinámica, el flujo de calor absorbido queda como: 
 
( ) Or QhhmQ =−= 4114 (2.14) 
 
El flujo de refrigerante que se requiere hacer circular para absorber el flujo de calor del agua del 
depósito, en el evaporador, se obtiene de: 
 
( )






−
=
41 hh
Qm Or (2.15) 
VALVULA DE 
EXPANSION 
TERMOSTATATICA
DEPOSITO DE 
REFRIGERANTE
FILTRO
INDICADOR 
DE HUMEDAD
VALVULA 
SOLENOIDE
PRESOSTATO 
DE ALTA 
PRESION
DEPOSITO 
DE AGUA
MOTOR 
ELECTRICO
AGITADOR
CONDENSADOR 
ENFRIADO CON AIRE 2´3
LINEA DE 
DESCARGA
VENTILADOR DEL 
CONDENSADOR
2
1´
COMPRESOR 
RECIPROCANTE
LINEA DE 
LIQUIDO
3´
4 1
LINEA DE 
SUCCION
REFRIGERANTE
AGUA
QO
EVAPORADOR
BOMBA
VALVULA DE 
EXPANSION 
TERMOSTATATICA
DEPOSITO DE 
REFRIGERANTE
FILTRO
INDICADOR 
DE HUMEDAD
VALVULA 
SOLENOIDE
PRESOSTATO 
DE ALTA 
PRESION
DEPOSITO 
DE AGUA
MOTOR 
ELECTRICO
AGITADOR
CONDENSADOR 
ENFRIADO CON AIRE 2´3
LINEA DE 
DESCARGA
VENTILADOR DEL 
CONDENSADOR
2
1´
COMPRESOR 
RECIPROCANTE
LINEA DE 
LIQUIDO
3´
4 1
LINEA DE 
SUCCION
REFRIGERANTE
AGUA
QO
EVAPORADOR
BOMBA
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 19 
Aplicando la segunda ley de la termodinámica para encontrar el flujo de entropía generada en el 
evaporador, a causa de la transferencia de calor entre el refrigerante y el agua que circula, así 
como también de la caída de presión, se tiene: 
 
( ) 





−−=
R
r T
QssmS 144114 (2.16) 
 
Donde TR es la temperatura promedio del agua que circula en el evaporador. 
 
Línea de succión (1-1´) 
El refrigerante entra como vapor sobrecalentado, y debido a que el refrigerante se encuentra a una 
menor temperatura con respecto a la del medio ambiente, existe un sobrecalentamiento del 
refrigerante, por lo que aumenta su temperatura. También existe una caída de presión como 
consecuencia de que el refrigerante tiene un rozamiento con las paredes del tubo. Las ecuaciones 
que se aplican al análisis termodinámico son: 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( )1´1´11 hhmQ r −= (2.17) 
 
Segunda ley de la termodinámica: 
 
( ) 





−−=
O
r T
QssmS ´111´1´11 (2.18) 
 
Donde TO es la temperatura de los alrededores, que es el medio ambiente. 
 
Proceso de compresión (1´-2) 
En este proceso, el refrigerante entra al compresor como vapor sobrecalentado y se comprime 
mediante el suministro de trabajo mecánico. El proceso es politrópico, y la generación de 
entropía es causada por la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente y por la 
fricción del refrigerante con los elementos mecánicos en contacto. Aplicando la primera y 
segunda leyes de la termodinámica para el análisis termodinámico, se tiene: 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( ) 2´1´122´1 WhhmQ r +−= (2.19) 
 
Segunda ley de la termodinámica: 
( ) 





−−=
O
r T
QssmS 21́1́22´1 (2.20) 
 
 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 20 
Línea de descarga (2-2´) 
En esta línea, la presión del refrigerante es igual a la salida del compresor y a la entrada del 
condensador; esto porque el tramo de tubería que une estos dos equipos es corto. El refrigerante 
disminuye su temperatura a consecuencia de que su temperatura es mayor que la del medio 
ambiente. Para calcular el flujo de calor transmitido y la entropía generada, se aplican las 
siguientes ecuaciones. 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( )2´2´22 hhmQ r −= (2.21) 
 
Segunda ley de la termodinámica: 
 
( ) 





−−=
O
r T
QssmS ´222´2´22 (2.22) 
 
Proceso de condensación (2´-3). 
El refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado y cambia de fase hasta alcanzar 
el estado de líquido subenfriado. La generación de entropía que se presentan en el condensador, 
es causada por la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, así como 
también por la caída de presión del refrigerante. Aplicando la primera y segunda leyes de la 
termodinámica, se calculan el flujo de calor de condensación y las irreversibilidades generadas. 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( )3´23´2 hhmQ r −= (2.23) 
Segunda ley de la termodinámica: 
 
( ) 





−−=
O
r T
QssmS 3´23´23´2 (2.24)Línea de líquido (3-3´) 
En esta tubería existe una transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, porque 
el refrigerante se encuentra a mayor temperatura que el medio ambiente. El flujo de calor y la 
generación de entropía se calculan aplicando l as siguientes ecuaciones: 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( )´33´33 hhmQ r −= (2.25) 
Segunda ley de la termodinámica: 
 
( ) 





−−=
O
r T
QssmS ´33´33´33 (2.26) 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 21 
Proceso de expansión (3´-4) 
En el dispositivo la expansión, el proceso ocurre a entalpía constante, por lo que la entalpía de 
entrada es igual a la entalpía de salida, y aplicando la primera y segunda leyes de la 
termodinámica se tiene: 
 
Primera ley de la termodinámica: 
 
( ) 0´34´34 =−= hhmQ r (2.27) 
 
porque h3´ = h4 
 
Segunda ley de la termodinámica: 
( )´34´34 ssmS r −= (2.28) 
 
En el punto 4 el refrigerante se encuentra como una mezcla líquido-vapor a baja presión y 
temperatura, con calidad x4. La calidad se calcula por la siguiente ecuación: 
 
4
4´3
4
fg
f
h
hh
x
−
= (2.29) 
 
Con este valor se encuentran las propiedades del estado 4 
 
4444 fgf sxss += (2.30) 
4444 fgf vxvv += (2.31) 
 
2.4 Metodología para obtener las irreversibilidades en cada componente del 
sistema de refrigeración. 
 
Mediante el análisis energético realizado para cada componente del sistema de refrigeración por 
compresión mecánica de vapor, en el cuál se obtuvieron las propiedades termodinámicas, ahora 
ya se puede calcular las irreversibilidades generadas en el sistema de refrigeración, multiplicando 
la entropía generada por la temperatura de los alrededores, los formulas empleadas se muestran 
en la tabla 2.1 [ ]16 . 
 
Con el cálculo de las irreversibilidades se puede apreciar que componente tiene la mayor 
irreversibilidad generada en el sistema de refrigeración, con el cual se hará el análisis del sistema 
de refrigeración por compresión mecánica de vapor variando el flujo de agua a enfriar. 
 
El análisis de las irreversibilidad total generada se hace comparando con la energía suministrada 
al motor eléctrico. 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 22 
PROCESO 2a Ley unidades 
Proceso de 
evaporación 
(4´-1) 
( ) amb
r
r TT
Q
ssmI 





−−= 144114 
kW 
Línea de 
succión 
(1-1´) 
( ) ambr TT
Q
ssmI 





−−=
0
´11
1´11́1 
kW 
Proceso de 
Compresión 
(1´-2) 
( ) ambr TT
QssmI 





−−=
0
2´1
´122´1 
kW 
Línea de 
Descarga 
(2-2´) 
( ) ambr TT
QssmI 





−−=
0
´22
2´2´22
 
kW 
Proceso de 
Condensación 
(2´-3) 
( ) ambr TT
QssmI 





−−=
0
3´2
´233´2
 
kW 
Línea de 
Líquido 
(3-3´) 
( ) ambr TT
QssmI 





−−=
0
´33
3´3´33 
kW 
Proceso de 
Expansión 
(3´-4) 
( )[ ] ambr TssmI ´344´3 −= kW 
Tabla 2.1Cálculo de irreversibilidades. 
 
Una vez que se tiene calculadas las irreversibilidades generadas en los componentes del sistema 
de refrigeración, se hace un análisis del ciclo del refrigerante, para observar su comportamiento. 
 
Para completar este análisis termodinámico, se presentan las siguientes consideraciones: 
 
El Coeficiente de Operación (COP), se define como la carga térmica entre el flujo de energía 
suministrada en forma mecánica a través del compresor. El COP es un parámetro útil para 
evaluar el comportamiento del sistema de refrigeración, porque representa el número de unidades 
de refrigeración que se logran por unidad de energía suministrada. El COP real se calcula 
mediante la siguiente ecuación: 
 
electrica
O
REAL P
Q
COP = (2.32) 
 
La potencia eléctrica consumida se calcula mediante la siguiente ecuación: 
 
ϕcos3VIPelectrica = (2.33) 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 23 
Otro parámetro que es importante calcular para poder comparar y visualizar las pérdidas de 
energía que se producen a causa de las irreversibilidades generadas por la fricción y la 
transferencia de calor, es el COP de Carnot. El COP de Carnot, es un ciclo reversible y en 
consecuencia, no toma en cuenta las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y el medio 
con el que intercambia calor, ni las caídas de presión a causa de la fricción en los diferentes 
equipos y elementos del sistema de refrigeración (evaporador, compresor, condensador, válvula 
de expansión, línea de succión, línea de descarga, línea de líquido). 
 
El COP de Carnot se calcula por: 
 
ent
evap
ent
cond
ent
evap
Carnot TT
T
COP
−
= (2.34) 
 
Una forma de obtener un punto de operación óptimo durante la prueba experimental, es 
recurriendo al concepto del COP teórico, aplicando la siguiente ecuación [ ]22 . 
 
leakendoTEORICO COPCOPCOPCOP
1111
int
++= (2.35) 
 
Esta ecuación (2.35), el punto de operación óptimo es cuando se produce el menor consumo de 
energía eléctrica durante la duración de la prueba experimental, además de las irreversibilidades 
la divide en tres clases: Externa, Interna y Fuga de calor. 
 
La irreversibilidad externa se deriva de la diferencia finita de temperaturas entre el refrigerante y 
la sustancia o espacio a enfriar, que es el COP endorreversible. La irreversibilidad interna se 
refiere a la generación de entropía en el interior del sistema y que no tiene que ver con la 
interacción de los dispositivos con los alrededores, que es el COP interno. La irreversibilidad 
asociada a la fuga de calor, se debe a la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio 
ambiente, que es el COP leak. 
 
También el COP teórico válida al cálculo del COP real, ya que ambos valores obtenidos de 
diferente forman coinciden en valor numérico. 
 
El cálculo de manera separada de cada uno de los parámetros de la ecuación (2.35), se hace de la 
siguiente forma: 
 
EVAPO
COND
endo PAT
PAT
COP
+−= 11 (2.36) 
 
La temperatura promedio del proceso (PAT)[ ]25 , se utiliza para calcular la temperatura media a 
la cual el refrigerante hace el cambio de fase tanto en el evaporador como en el condensador, 
como se muestra a continuación: 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 24 
∑ ∫
∫
=
=
n
i
sal
ent
COND
T
dH
dH
PAT
1
 (2.37) 
 
prom
liquido
sat
cond
liquido
sat
vapor
sat
prom
vapor
sat
COND
T
hh
T
hh
T
hh
hh
PAT
**
3
*
´2
3´2
−
+
−
+
−
= − (2.38) 
 
prom
satvap
evap
satvapEVAPO
T
hh
T
hh
hhPAT
***
1
,
4
,
44
14
−+−
= − (2.39) 
 
Para calcular 
int
1
COP
 se muestra la siguiente ecuación: 
 
O
COND
Q
SPAT
COP
int
int
1 ∆= (2.40) 
 
Donde in tS∆ es la resta de la irreversibilidad generada en el condensador menos la 
irreversibilidad del evaporador, como se muestra en la siguiente ecuación. 
 
143´2int SSS −=∆ (2.41) 
 
 
Para el cálculo del 
leakCOP
1
 se emplea la siguiente ecuación 
 
O
leakCOND
leak Q
SPAT
COP
∆=1 (2.42) 
 
Donde leakS∆ se obtiene empleando la siguiente ecuación. 
 






−+=∆
CONDEVAPCOND
leak PATPAT
I
PAT
IS 11´112´1 (2.43) 
 
 
Una vez que se obtienen los parámetros del COP teórico se compara con el COP real, es decir, 
quedando la siguiente ecuación. 
 
Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 
 25 
REAL
TEORICO
COP
COP
=
1
 (2.44) 
 
El procedimiento de análisis de los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor, 
desarrollado antes, es útil porque sirve para poder determinar el comportamiento del ciclo de 
refrigeración, asícomo del funcionamiento de los dispositivos del sistema de refrigeración, ya 
que con este análisis se tiene las herramientas suficientes para poder tomar una decisión acerca 
del reemplazo de los dispositivos del sistema de refrigeración. También mediante este análisis se 
encuentra el punto óptimo de operación. 
 
2.5 Base de datos del sistema de refrigeración. 
 
Para la obtención de las presiones y temperaturas del refrigerante, así como también la 
temperatura de depósito de agua a enfriar, la temperatura del agua a la entrada y salida del 
evaporador, la temperatura ambiente, se creo una base de datos para analizar el comportamiento 
del sistema de refrigeración designada con el nombre de REFRIG. [ ]15 
 
El programa REFRIG tiene la finalidad de crear bases de datos y gráficos con las lecturas de 
temperaturas y presiones a la entrada y salida de cada uno de los componentes del sistema de 
refrigeración. 
 
Para este programa se cuenta con una tarjeta de adquisición de datos PC-labCard-818HG. Esta 
tarjeta recibe los datos de las lecturas en señales de voltaje; procesa las señales y envía una 
información a un programa codificado en VISUAL BASIC , que las transforma en valores de 
presiones y temperaturas en una interfase gráfica. [ ]15 
 
La interfase genera la base de datos en una hoja de cálculo en Excel un a vez por minuto y 
posteriormente genera otra hoja de cálculo en donde promedia las lecturas cada cinco minutos y 
al mismo tiempo va graficando las mediciones promedio. 
 
Con base en la información promediada cada cinco minutos que le proporciona REFRIG se 
determina las propiedades termodinámicas correspondientes a cada punto de la lectura y las 
muestra en diagrama de Mollier P-h y el diagrama T-s y realiza los cálculos del comportamiento 
del sistema de refrigeración, aplicando el análisis energético y el análisis exergético. 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 26 
Capitulo 3 
 
Instalación experimental 
 
En este capítulo se describe el sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor que se 
encuentra instalado en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 
(LABINTHAP) de la Sección de Estudios de Posgrado e investigación (SEPI) de la ESIME-IPN 
y que se uso para realizar la parte experimental de este trabajo. 
 
3.1 Descripción del equipo experimental 
 
En el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) de la Sección de 
Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la ESIME, se encuentra instalado un Sistema de 
Refrigeración por Compresión M ecánica de Vapor, en el que se desarrollaron las pruebas 
experimentales. La descripción de las características técnicas de cada componente del sistema 
experimental de refrigeración se hace a continuación. 
 
3.1.1 Unidad condensadora enfriada por aire. 
 
Esta unidad esta formada por un compresor de tipo alternativo, y un condensador, que son los 
elementos principales de esta unidad. También tiene elementos secundarios, como son, un 
presostato, una válvula solenoide, un filtro deshidratador, y un indicador de humedad, como se 
ilustra en la figura 3.1. Las características técnicas de esta unidad condensadora son las 
siguientes: 
 
Datos generales de la unidad condensadora 
 
Marca: Friomold 
Modelo: UF-300M 
Serie: J-032-91 
 
Esta unidad se encuentra montada sobre una base metálica y está conformada por los siguientes 
componentes principales, de los que se da la información técnica: 
 
Compresor 
Marca: MYCON 
Serie: 9110529 
Modelo: E50 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 27 
Tipo: Monocilíndrico 
 
Motor eléctrico 
Marca: ABB 
Tipo: MBT ARM 182T -112S 
Serie: M91G-26583 TCCVE (totalmente cerrado con ventilación exterior), 3 
Fases, 60 Hz, 3CP, 200/440 Volts FS 1.15, 1750 rpm, Amp 9.2/4.6, Diseño 
B, Clase de aislante F 
 
Ventilador 
Se encuentra acoplado directamente al motor eléctrico para producir un flujo de aire que se usa 
como fluido de condensación del refrigerante. El ventilador está compuesto de 4 aspas de 16 
pulgadas de diámetro. 
 
 
Figura 3.1 Unidad condensadora. 
 
Los componentes secundarios de la unidad condensadora se describen a continuación: 
 
• Presostato de alta presión 
• Filtro deshidratador 
• Indicador de humedad 
• La válvula solenoide 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 28 
• Depósito del refrigerante 
• Lubricante 
 
Los datos técnicos de cada uno de estos elementos se indican a continuación: 
 
El presostato de alta presión es el dispositivo que actúa como elemento de seguridad del equipo; 
su función es detener el funcionamiento del compresor cuando la presión en el lado de alta 
presión llega a rebasar el límite fijado; sus características técnicas son las siguientes: 
 
Presostato de alta presión 
Marca: SAGInoMIYA 
Modelo: IBD 
Serie: SNS C106S1 
Diff: 1 a 4 kg/cm2 
Rango: 0 a 6 kg/cm2 
 
El filtro deshidratador absorbe la humedad contenida en el refrigerante y tiene un visor formado 
por sal de cobalto que es una sustancia que tiene la particularidad de cambiar de color al absorber 
humedad, y así indica cuando esta es excesiva. Sus características técnicas se describen a 
continuación. 
 
Filtro deshidratador 
Línea: Líquido 
Marca: ALCO 
Serie: TD-083 S 
PMT 35 kg/cm2, compatible con refrigerantes CFC/HCFC/HFC y lubricantes POE/PAG/AB 
 
El indicador de humedad revela la presencia de humedad en el refrigerante. El que usa la unidad 
condensadora es de la marca Hermetik. 
 
La válvula solenoide tiene la función de detener el flujo de refrigerante hacia el evaporador 
cuando el compresor esta fuera de operación, y así evita el almacenamiento de refrigerante en 
estado líquido en el evaporador, y en consecuencia protege al compresor de posible entrada de 
líquido al arranque del sistema. Las características de la válvula solenoide son las siguientes: 
 
Válvula solenoide 
Marca: Saginomiya 
Tipo: 303 B 
Serie: GPU 
220V, 9W, PMO 20 kg/cm2 
 
El depósito de refrigerante consiste sirve como tanque de almacenamiento de refrigerante líquido 
cuando se requiere hacer alguna reparación o algún servicio al sistema. 
 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 29 
El refrigerante que usa el sistema de refrigeración es de la marca “genetron”, tipo 134a y se 
requieren 6.8 Kg. para llenar el sistema. El lubricante empleado es de la marca “castrol”, tipo 
acemire SW 32, de viscosidad 150 VG 32, 150 SSU 
 
 
Figura 3.2 Accesorios secundarios de la unidad condensadora. 
 
3.1.2 Evaporador 
 
El evaporador es el equipo de la instalación, en el que se produce el intercambio térmico entre el 
refrigerante y el medio a enfriar. A continuación se muestran las características técnicas del 
Evaporador, el cual se ilustra en la figura 3.3: 
 
Dimensiones: 88 cm de largo y 15 cm de diámetro 
Aislamiento térmico: Polietileno con 1 cm de espesor 
 
El evaporador se complementa con los siguientes componentes: 
 
Termómetro a la entrada del evaporador 
Marca: Rochester 
Rango: -10 a 110 °C 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 30 
Termómetro a la salida del evaporador 
 
Marca: Rochester 
Rango: 0 a 100 °C 
 
El termostato tiene por función detener el funcionamiento del compresor al presentarse una 
temperatura excesiva del refrigerante en el evaporador. Esta temperatura se selecciona por elusuario en un rango de 0 a 15 °C. Sus características técnicas son las siguientes. 
 
Termostato 
Marca: Jonson Controls 
Tipo: A19ABC-41C 
Rango: De –35 °C a 40 °C 
Estilo: 1 
Serie: A19 
 
 
Figura 3.3 Evaporador (Intercambiador de calor). 
 
 
 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 31 
3.1.3 Válvula de expansión termostática. 
 
La válvula de expansión, que se muestra en la figura 3.4, tiene como función dosificar el flujo de 
refrigerante que circula por el evaporador. Cada tipo de válvula de expansión termostática opera 
con su propio refrigerante y por lo tanto se debe escogerse cuidadosamente para que trabaje con 
el refrigerante que le corresponde. Esta válvula tiene las siguientes características técnicas. 
 
Válvula de expansión termostática 
Marca: Danfoss 
Tipo: TEN 2 
Serie: 068Z3348 
Rango: -40 a 10 °C, 
Capacidad del tubo: 1.5 m 
 
 
Figura 3.4 Válvula de expansión termostática 
 
3.1.4 Calentador de agua 
 
Este dispositivo es utilizado cuando el agua que se emplea en la experimentación alcanza una 
temperatura final de 5 °C, y se quiere hacer otra prueba experimental. Entonces es necesario 
elevar la temperatura del agua, la cual deberá ser mayor a la temperatura del medio ambiente, ya 
que no se puede empezar la siguiente prueba experimental con una temperatura de 5 °C, que seria 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 32 
una temperatura inferior a la del medio ambiente. El calentador de agua se muestra en la figura 
3.5 y sus características técnicas son las siguientes: 
 
Dimensiones: 150 cm de largo, 100 cm de alto, 70 cm de ancho 
 
Elemento calefactor 
Material: Tubo de cobre tipo M 
Diámetro: 9.5 mm 
Cantidad: 6 tramos de 100 cm de largo 
 
Bomba Hidráulica 
Marca: EMCO 
Modelo: 100 
Carga total 10/22, 175/15 lts/min, 1 HP, 3450 rpm, 32x25 mm succ/desc 
 
Termómetro 
Marca: Metron 
Rango: -20 a 120 °C 
 
Interruptor de seguridad 
Marca: Square D 
3 polos, 60 Amp, 240 VAC 
 
 
Figura 3.5 Calentador de agua 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 33 
3.1.4.1 Deposito de agua 
 
El depósito de agua del sistema de refrigeración experimental se muestra en la figura 3.6 y tiene 
las siguientes características técnicas. 
 
Depósito de agua 
 
Dimensiones: 90 cm de ancho, 150 cm de largo y 110 cm de altura. 
Material: Ángulos de 1 pulgada y aislamiento térmico de 10 cm de espesor. 
 
Termómetro 
Marca: metron 
Rango: -10 a 110 °C 
 
 
Figura 3.6 Depósito de agua 
Este depósito de agua también cuenta con una motor agitador, el cual es utilizado para mantener 
la temperatura uniforme en todo el depósito. Este motor agitador se ilustra en la figura 3.7, y 
tiene las siguientes características técnicas. 
 
 
 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 34 
Motor agitador 
Marca: General Electric 
Modelo: 3KTA48G B 
Serie: H-91 
1725 rpm, CP 1/3, 220/440 Volts, 3 Fs, Amp 1.0/0.8, 60 Hz 
Hélice con 3 aspas, Volante, Polea, banda A-26 13x717 mm 
 
Termostato 
Marca: Saginomiya 
Serie: HCU 
Rango: -10 a 50 °C 
 
 
Figura 3.7 Motor agitador 
 
3.1.5 Sistema de control 
 
El sistema de control se muestra en la figura 3.8 Este sistema de control permite el buen 
funcionamiento del sistema de refrigeración experimental, y esta compuesto por: 
 
Centro de carga 
Tipo: C 
Catalogo: 2231, 250 Volts, c.a. 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 35 
Interruptores termo magnéticos 
3 de 30 Amperes cada uno 
 
Tablero de Control 
Este tablero de control, sirve para poner en funcionamiento al sistema de refrigeración, así como 
también para accionar el mecanismo de paro y arranque. 
 
 
Figura 3.8 Sistema de control 
 
3.1.6 Tuberías 
 
Las tuberías de cualquier sistema de refrigeración son vitales para la operación eficiente del 
mismo. A continuación se describen las características de las tuberías usadas. 
 
Línea de descarga (conecta al compresor con el condensador) 
Material: Tubo de cobre tipo M 
Diámetro: 5/8 de pulgada 
Soldadura: Pasta de estaño 50/50 
 
 
 
 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 36 
Línea de líquido (conecta el recipiente de almacenamiento del refrigerante con la válvula de 
expansión) 
Material: Tubo de cobre tipo M 
Diámetro: 3/8 de pulgada 
Soldadura: Pasta de estaño 50/50 
 
Línea de succión (conecta el evaporador con el compresor) 
Material: Tubo de cobre tipo M 
Diámetro: 1 pulgada 
Soldadura: Pasta de estaño 50/50 
 
3.1.7. Sistema de adquisición de datos 
 
El sistema de refrigeración experimental se instrumentó para obtener los valores de presión y 
temperatura a la entrada y salida de cada uno de los componentes del sistema. Esta información 
se adquiere con una tarjeta de adquisición de datos, que tiene las siguientes características: 
 
Tarjeta múltiple 
A/D y D/Ad e 12 bits, 100 kHz 32 e/s digitales. Modelo PC-LabCard-818HG. 
 
Este sistema de adquisición de datos, se complementa con una computadora, que es el equipo 
donde se instala la tarjeta múltiple. Las características técnicas requeridas de la computadora, 
para el mejor desempeño de la tarjeta múltiple son: 
 
• Microprocesador Pentium a 133 MHz o mayor 
• 6 MB de memoria RAM 
• CD 22x para la instalación de los controladores 
• 40 MB de espacio libre en disco duro 
• Una ranura de expansión PSIA libre, para la instalación de la tarjeta. 
 
El sistema de adquisición de datos se muestra en la figura 3.9 
 
3.1.8 Instrumentos de medición 
 
Los instrumentos de medición entregan señales de voltaje en proporción a la medida que en ese 
momento se esta considerando, ese voltaje entregado debe ser interpretado de acuerdo a la 
medida y el instrumento en cuestión, esta interpretación se efectúa aplicando a la medida los 
factores adecuados de proporción previamente determinados. 
 
Cada tipo de instrumento, ya sea el termopar o el transductor de presión, dan como respuesta un 
voltaje diferente de acuerdo a la medida de temperatura o presión, por lo que a cada tipo de 
instrumento se le realiza un análisis en el cual se determinan los factores correspondientes a la 
proporcionalidad. 
 
Capítulo 3 Instalación experimental 
 37 
 
Figura 3.9 Sistema de adquisición de datos. 
 
3.1.8.1 Termopares 
 
Termopares (T) 
 
El termopar consiste en dos conductores metálicos diferentes, unidos en un extremo denominado 
casi siempre unión caliente o detectora, y que van conectados a algún instrumento de medición 
pudiendo ser un milivóltmetro o como lo es en el presente caso una tarjeta múltiple. 
 
El termopar elegido por su capacidad de respuesta es el tipo CO3-T Marca Omega de cobre-
constantan que tiene un rango de medición de temperatura de -185 a 298 °C, adecuado para 
registrar las temperaturas en el proceso de refrigeración. 
 
3.1.8.2 Transductores 
 
Transductores de presión (P) 
 
Estos dispositivos producen una señal de corriente directa en proporción a un cambio de 
resistencia, generado por la distorsión de una membrana flexible que esta en contacto con el 
fluido al que se mide la presión. 
 
Capítulo 3