¿Qué es el Ciclo de Refrigeración, y cómo se lo define?

Un ciclo de refrigeración se refiere al proceso termodinámico repetitivo en el cual una sustancia empleada como refrigerante cambia de fases a través de un circuito, y su función es absorber calor de un espacio a acondicionar para liberar calor en otra región. A diferencia de otros ciclos termodinámicos como los de potencia, en los sistemas empleados para refrigeración, el propósito no es la obtención de energía destinada a la venta o consumo, sino el acondicionamiento térmico de un espacio, por ejemplo, una habitación.

Evelyn Maitee Marín | Sep. 2022
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD

Con un esquema de funcionamiento similar al de los ciclos de refrigeración, se encuentran las bombas de calor, las cuales, al contrario de los aires acondicionados, se emplean para calentar un espacio, es decir, extraer calor del ambiente exterior para liberarlo dentro del local que se desea acondicionar.

Desde el punto de vista teórico, los ciclos de refrigeración se pueden estudiar considerando los componentes que conforman el sistema así como las diversas etapas por las que atraviesa el refrigerante en los distintos estados. El siguiente gráfico muestra la clasificación de los sistemas de refrigeración:

Tipos de sistemas de refrigeración

Componentes básicos de un ciclo de refrigeración

De acuerdo con la segunda ley de la Termodinámica, el flujo de calor ocurre de manera espontánea siempre desde una región de mayor temperatura a un de menor temperatura, y en caso contrario, se requiere de algún dispositivo o mecanismo que permita llevar a cabo el proceso de refrigeración. Para ello, todo sistema de refrigeración requiere al menos de cuatro componentes:

• Compresor: es un dispositivo encargado de incrementar la presión del refrigerante una vez que este se ha evaporado. En condiciones ideales, el proceso de compresión es a entropía constante, aunque en la práctica ocurre un incremento de entropía.

• Evaporador: este sistema es básicamente un intercambiador de calor por donde circula el refrigerante para absorber calor del espacio a acondicionar y como consecuencia, cambia de mezcla a un estado de vapor.

• Válvula de expansión: también llamada tubo capilar o expansor. Bajo consideraciones ideales, este dispositivo opera de forma isoentálpica (a entalpía constante), y su función es disminuir la presión del refrigerante en la zona de mezcla.

• Condensador: está formado por un serpentín a través del cual pasa el refrigerante en estado de vapor, a una presión y temperatura mayor que las condiciones en el evaporador. Durante el paso por el condensador, el refrigerante libera calor al ambiente exterior y se condensa hasta quedar en estado líquido. Idealmente, el proceso de condensación ocurre a presión constante, aunque en la realidad suelen manifestarse caídas de presión.

Componentes básicos de un refrigerador

Coeficiente de desempeño (COP)

Como ya se ha citado, para extraer el calor de un espacio (enfriar) y lograr que el refrigerante cambie de fases en un proceso cíclico, se requiere de dispositivos que operan consumiendo energía (eléctrica o combustible), y esto representa un coste, el cual se debe tratar de minimizar, maximizando la función que se espera de ellos dentro del ciclo.

En los ciclos de potencia, el rendimiento térmico o eléctrico se suele determinar a partir de la eficiencia del ciclo o sus componente, y como tal, este valor siempre debe oscilar entre 0 y 1 (en términos porcentuales, sería entre 0 y 100 %). Sin embargo, en los ciclos de refrigeración, lo más común es analizar su rendimiento utilizando como parámetro de referencia el coeficiente de desempeño, abreviado por sus siglas en inglés como COP (coefficient of performance), cuyo valor casi siempre resulta mayor a la unidad, es siempre positivo, y se determina a partir de la siguiente expresión:

Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor

Con el propósito de maximizar el coeficiente de desempeño de los ciclos de refrigeración, se han diseñado diferentes métodos, el más simple de estos es el de refrigeración por compresión de vapor, el cual está formado por cuatro estados que se muestran en la próxima imagen):

• Un proceso de compresión isentrópica en el compresor (estados 1 - 2),

• Un proceso de rechazo de calor a presión constante en el condensador (estados 2 - 3),

• Un proceso de expansión isoentálpica en la válvula de expansión (estados 3 - 4),

• Un proceso de absorción de calor en el evaporador a presión constante (estados 4 - 1).

El siguiente esquema muestra un diagrama de temperatura (T) vs entropía (s) donde se señalan los diferentes estados por los que pasa el refrigerante durante su paso por los componentes del sistema para completar el ciclo de refrigeración por compresión de vapor:

QL es el calor absorbido del espacio acondicionado, QH es el calor rechazado hacia el exterior y Wcomp representa el trabajo del compresor.

Como se ha descrito, el fluido de trabajo en los ciclos de refrigeración es el refrigerante, y en el mercado existe una gran variedad de estos. Los refrigerantes han ido evolucionando, y en la actualidad, la tendencia es optar por los menos contaminantes, no tóxico y que posean las características que se requieren en el sistema a instalar.

Algunos de los tipos de refrigerantes más utilizados

Este grupo de refrigerantes conforman el 90 % de los refrigerantes empleados en Estados Unidos.

 
 
 
 
Por: Evelyn Maitee Marín. Ingeniera industrial con maestría en Ciencias aplicadas de Física y doctorado en Ciencias de la Educación. Profesora de la Universidad del Zulia.
Trabajo publicado en: Sep., 2022.
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Marín, E. M. (septiembre, 2022). Definición de Ciclo de Refrigeración. Definición ABC. Desde https://www.definicionabc.com/ciencia/ciclo-de-refrigeracion.php
 
 
 
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