Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores y otras aplicaciones de refrigeración debido a su simple mecanismo, se compone de cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en un compresor.
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador 

Figura 1: Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. 

Pare entender qué sucede dentro del ciclo es importante analizar etapa por etapa casa estado del mismo.
En el estado 1 el refrigerante entra al compresor como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador, durante esta etapa el refrigerante aumenta su temperatura, la cuál incluye la que ha absorbido o removido del espacio refrigerado y la ganada en el proceso de compresión. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores o intercambio de calor entre el refrigerante, las tuberías y el medio. El vapor irá cambiado de estado hasta volverse líquido debido a la pérdida de calor que experimenta el refrigerante a lo largo del condensador. El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso y termina perdiendo el calor que no pudo ser del todo removido en el condensador. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor húmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo.

El área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s de la figura 1, representa la transferencia de calor en caso de procesos internamente reversibles. El área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador.

Para la deducción de las ecuaciones se toma en cuenta que los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a

El desempeño de se expresa en términos del coeficiente de  desempeño (COP) por sus siglas en inglés (coefficient of peformance), definido como:

Ejemplos: 

1. En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo másico del refrigerante es de 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la tasa de calor al ambiente y c) el COP del refrigerador.

Figura 2: Diagrama T-s descrito en el ejemplo 1. 

Desarrollo: Un refrigerador opera en  un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre dos límites de presión específico. Se determinarán la tasa de refrigeración, la entrada de potencia. la tasa de rechazo de calor y el COP. 

Suposiciones: Existe condiciones estacionarias de operación y los cambios de energías cinéticas y potenciales son insignificantes. 

Observando el diagrama de la figura 2 y recordando lo que indica la teoría del ciclo de refrigeración ideal por compresión, analizaremos cada estado.

Todos los estados son extraídos del libro de termodinámica Cengel.  

Ejemplo 2: Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. El refrigerante entra al evaporador a 120 kPa con una calidad de 30% y sale del compresor a 60ºC. Si el compresor consume 450 W de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la presión del condensador y c) el COP del refrigerador. 

Figura 3: Esquema del proceso del ejemplo 2. 

Figura 4: Diagrama T-s del ejemplo 2.