07-Máquinas frigoríficas

Este tipo de máquinas térmicas obtienen una transferencia de calor entre dos recintos que están a distinta temperatura. Dependiendo de cómo sea la transferencia buscada, tenemos dos tipos de máquinas:

  • Un frigorífico recibe trabajo para absorber calor de un recinto a baja temperatura y expulsarlo en otro a temperatura superior,
  • Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto a alta temperatura obteniendo calor de otro espacio a menor temperatura.
(pulsa sobre la imagen para ver la animación):


Los componentes de una máquina frigorífica deben ser, como mínimo, los cuatro siguientes:

  • Compresor: Donde se aumenta la presión del fluido de forma adiabática. En este proceso se aumenta considerablemente la temperatura.
  • Condensador: El fluido a temperatura elevada atraviesa un conducto donde libera el calor a presión constante.
  • Regulador o Válvula de expansión: Es un estrechamiento que retiene al fluido a presión.
  • Evaporador: Por fin, tras ser liberado el fluido a este elemento, en él se expande absobiéndo calor.


Los nombres anteriores se deben a que el ciclo más ampliamente utilizado es la refrigeración por absorción o por cambio de fase, que consiste en evaporar un fluido dentro de un recinto, del cual absorbe calor al cambiar de estado. Después, un compresor se encarga de condensarlo de nuevo, aumentando la presión, lo que además produce que aumente su temperatura. Ésto facilita que en otro intercambiador de calor el líquido ceda calor, enfriándose. A continuación pasa por un estrechamiento o válvula de expansión, tras la cual pasa de nuevo al evaporador, donde pierde bruscamente presión, razón por la que se evapora y se enfría, y se vuelve a repetir el ciclo. Si nos fijamos, se trata de un ciclo Rankine que se realiza en sentido contrario al de producción de potencia.

Ciclo de refrigeración



Existe un segundo ciclo, menos utilizado pero con mejor rendimiento que el anterior, se realiza totalmente con gas, de forma inversa al ciclo Brayton: es la refrigeración por compresión, que consiste en comprimir adiabáticamente un gas y hacerlo pasar por un condensador en el que libera calor a presión constante. Se retiene el gas mediante una válvula de expansión y a continuación el gas se expande en un evaporador absorbiendo calor.


El sistema de aire acondicionado-bomba de calor se está imponiendo en las viviendas por la sencillez de las conversión entre ambos funcionamientos (pulsa sobre la imagen para ver la animación):


En estos ciclos, el rendimiento térmico recibe el nombre de Coeficiente de Operación (COP) y, como siempre, viene dado por la relación entre lo que se obtiene (absorber o liberar calor) y lo que se gasta (trabajo), obteniéndose valores superiores al 100%.

Motor térmico



Máquina frigorífica




Bomba de calor





Para calcular el COP de una máquina frigorífica siempre se expresa como un porcentaje de la máquina frigorífica ideal de Carnot. Para calcular éste, recordemos el rendimiento del motor de Carnot:


 



La bomba de calor de Carnot se obtiene invirtiendo el funcionamiento del motor de Carnot, pues se introduce trabajo y se obtiene un calor hacia una fuente caliente. Por lo tanto, su coeficiente de operación es:

 




Y el coeficiente de operación de la máquina frigorífica de Carnot se obtiene fácilmente:






Posteriormente, como es habitual con las máquinas que no son ideales, se refiere el rendimiento real como un porcentaje del ideal, y tenemos la eficiencia de la máquina real.


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