Unidad_12

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Ciclos de Refrigeración 
 
 
 
Ciclos de Refrigeración 
 
 
 
El objetivo de un ciclo de refrigeración es llevar a cabo 
una transferencia calor desde un Depósito de menor 
temperatura hacia un Depósito de mayor temperatura. 
Para ello es necesario emplear trabajo de eje, 
suministrado por una fuente externa. 
 
 
Los ciclos de refrigeración operan de manera inversa a 
como lo hace un ciclo de potencia. 
 
 
Los Ciclos de Refrigeración son denominados Bombas 
de Calor, en vista que transfieren calor desde un 
deposito frío a un depósito caliente. 
 
 
 
 
Ciclos de Refrigeración de Carnot 
 
 
El ciclo de Refrigeración (o Frigorífico) de Carnot, opera en sentido inverso a 
como lo hace el ciclo de Potencia de Carnot. Emplea vapor como fluido de trabajo, 
y sus condiciones de operación son reversibles. 
 
 
El ciclo Frigorífico de Carnot presenta la máxima eficiencia posible de lograr, por 
lo cual es empleado como estándar, para la comparación de ciclos reales (Segundo 
Principio de la Termodinámica). 
 
TL 
Depósito Frío 
Depósito Caliente 
TH 
QL 
QH 
WS 
Ciclos de Refrigeración 189 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Evaporador: mezcla líquido−vapor es vaporizada reversible e isotérmicamente 
(TL), de manera de aumentar la calidad del vapor. 
 
 
(E): L12L QHHH =−=∆ 
 
(S): 
L
L
L T
QS =∆ 
T 
TH 
TL 1 
4 3
2
Ŝ
QL 
Expansor 
Compresor 
Condensador
1 
4 
3 
2 
Evaporador QL(+)
QH(-)
WSC(+) 
WST(-) 
Ciclos de Refrigeración 190 
)SS(TSTQ 12LLLL −=∆= 
 
 
El calor absorbido en el evaporador corresponderá a la energía desde el cuerpo que 
se desea enfriar hacia el fluido refrigerante. 
 
 
Compresor: compresión reversible y adiabática de la mezcla líquido−vapor, hasta 
la condición final de vapor saturado. 
 
 
(E): SC23C WHHH =−=∆ 
 
 
(S): 0SC =∆ 0SS 23 =− 
 
 
 
Condensador: vapor saturado ingresa al condensador, donde reversible e 
isotérmicamente (TH), se transforma en líquido saturado. 
 
 
(E): H34H QHHH =−=∆ 
 
(S): 
H
H
H T
QS =∆ 
 
 
Expansor: expansión reversible y adiabática del líquido saturado. Condición final 
corresponde a una mezcla líquido−vapor. 
 
 
(E): SE41E WHHH =−=∆ 
 
 
(S): 0SSE =∆ 0SS 41 =− 
 
Ciclos de Refrigeración 191 
El trabajo de eje neto obtenido del ciclo: Neto E CS S SW W W= + 
 
Balance de energía para el ciclo (reversible): E CS S H LH W W Q Q 0∆ = + + + = 
 
Neto
S H LW Q Q= + 
 
Balance de entropía para el ciclo (reversible): 0SS LH =∆+∆ 
 
 
0
T
Q
T
Q
L
L
H
H =+ LL L
L
QQ T
T
= − 
 
 
H H LQ T S= − ∆ 
 
 
( )H H H H 4 3Q T S T S S= ∆ = − ( < 0 ) 
 
 
( )L L L L 2 1Q T S T S S= ∆ = − ( > 0 ) 
 
 
LHNETO QQQ += ( < 0 ) 
 
 
 
Coeficiente de Performance: CoP 
 
 
CoP = Cantidad de calor retirado / Trabajo de eje Neto 
 
 
L
Neto
S
QCoP
W
= 
 
Ciclos de Refrigeración 192 
Neto L H
S L H L
L L
Q TW Q T Q 1
T T
⎡ ⎤
= − = −⎢ ⎥
⎣ ⎦
 
 
 
H L
1CoP
1 T T
−
=
− 
 
 
LH
L
TT
TCoP
−
= 
 
 
En general, la operación de compresores o expansores debería no considerar el uso 
de mezclas de vapor - líquido, para evitar causar daños mecánicos. 
 
 
En ciclos de refrigeración se suele remplazar el expansor por una válvula de 
expansión isoentálpica (de estrangulamiento). Su objetivo es idéntico, expandir el 
fluido hasta la presión deseada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Preenfri 
Válvula de 
Expansión 
Compresor 
Condensador
1 
4 3 
2 
Evaporador QL(+)
QH(-)
3′ 
WSC(+) 
Ciclos de Refrigeración 193 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aun cuando existe una pérdida de trabajo de eje, al remplazar el expansor por la 
válvula isoentálpica, que no es posible de recuperar, los menores costos 
involucrados, y la posibilidad de operar en presencia de mezclas de vapor y 
líquido, compensan dicha pérdida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En el análisis de ciclos de refrigeración se acostumbra a emplear una unidad 
particular de enfriamiento: "ton"; 1 ton = 12000 Btu/h, y corresponde a la 
velocidad de enfriamiento que debe suministrarse a una tonelada (2000 lbm) de 
hielo fundido por día. 
T 
TH 
TL 
21 
3′
34 
Ŝ
P 
PH 
PL 
21 
3′ 34 
T constante
S constante 
Ĥ
Ciclos de Refrigeración 194 
En los procesos de refrigeración, la elección del refrigerante es de gran 
importancia. Entre otras características que debe poseer un refrigerante están: 
 
• No tóxico • No inflamable • Bajo costo 
• No corrosivo • Adecuadas condiciones 
de presión de vapor 
 
 
Entre los refrigerantes más comúnmente utilizado se encuentran los hidrocarburos 
halogenados, denominados freones; Freón-12, Freón-22, Freón-503. 
 
 
Ciclos en Cascada 
 
Los ciclos de refrigeración ordenados en cascada son empleados cuando es 
necesario alcanzar temperaturas extremadamente bajas como las temperaturas 
criogénicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cada una de las etapas utiliza un refrigerante con diferente punto de ebullición, 
disminuyendo desde la etapa I a la etapa III. En general. De tres a cuatro etapas 
corresponde al máximo límite práctico. 
 
 
− 100 °C − 50 °C − 60 °C − 10 °C − 20 °C 30 °C 10 °C 
Válvula de 
Expansión 
Compresor 
Fluido de 
Enfriamiento
Evaporador 
QL(+) 
Válvula de 
Expansión 
Válvula de 
Expansión 
Compresor Compresor 
III II I 
Q Q 
WSC(+) WS
C(+) WSC(+) 
Ciclos de Refrigeración 195 
Ciclos en Binarios