UNIDAD III
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EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR
El ciclo de Carnot invertido no es práctico para comparar el ciclo real
de refrigeración. Sin embargo es conveniente que se pudieran
aproximar los procesos de suministro y disipación de calor a
temperatura constante para alcanzar el mayor valor posible del
coeficiente de rendimiento. Esto se logra al operar una máquina
frigorífica con un ciclo de compresión de vapor. En la Figura 3.15 se
muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y
Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime
isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor
refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a
presión constante hasta que el fluido se convierte en líquido saturado
en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión mas baja, se
expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el
estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulación y h3=h4. En el estado
4, el refrigerante es una mezcla húmeda de baja calidad. Finalmente,
pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja
temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor
saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y
una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.
 
Fig. 3.15. Esquema de la maquinaria y los diagramas Ts y Ph de un
ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se presentó en la Figura 3.15, contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación. Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles.
La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a
las toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en
las condiciones de diseño. Una tonelada de refrigeración se define
como la rapidez de extracción de calor de la región fría ( o la rapidez
de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador ) de
211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para
una máquina frigorífica es el flujo volumétrico de refrigerante a la
entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo del
compresor.
El coeficiente de rendimiento de un refrigerador se expresa como 
El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor se expresa como  PROCESO DE COMPRESIÓN REAL El proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropía. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Además el compresor no es isoentrópioco. Esto se observa en la Figura 3.16. 
Fig. 3.16. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeración por compresión
de vapor con eficiencia adiabática en el compresor.
La eficiencia adiabática del compresor viene dada por
SISTEMAS POR COMPRESION DE VAPOR EN CASCADA Y DE
ETAPAS MÚLTIPLES
Es necesario examinar dos variaciones
del ciclo de
refrigeración básico por compresión de vapor. La primera es el ciclo
en cascada, que permite usar un ciclo por compresión de un vapor
cuando la diferencia de temperatura entre el evaporador y el
condensador es muy grande. En la segunda variación se emplea el
uso de compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio, la
cual reduce la entrada necesaria de trabajo.
CICLO DE CASCADA
En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante. Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el proceso de refrigeración en etapas, es decir, tener dos o más ciclos de refrigeración que operen en serie. Dichos ciclos reciben el nombre de ciclos de refrigeración en cascada.
Un ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas se muestra en
la Figura 3.17. Los dos ciclos se conectan por medio de un
intercambiador de calor en medio de ambos, el cual sirve como el
evaporador en el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el
ciclo inferior (ciclo B). Si se supone que el intercambiador de calor
está bien aislado y las energías cinética y potencial son
despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior
debe ser igual a la transferencia de calor al fluido en el ciclo superior.
De modo que la relación de los flujos de masa en cada ciclo debe ser
 Además, 
En el sistema en cascada, no es necesario que los refrigerantes en ambos ciclos sean iguales ya que no se produce mezcla en el intercambiador de calor.  
Fig. 3.17 Esquema del equipo y diagrama Ts de un ciclo de
refrigeración en cascada.
CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR EN ETAPAS MÚLTIPLES
Otra modificación del ciclo de refrigeración por compresión de vapor consiste en la compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio para disminuir la entrada de trabajo.
Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeración
en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas
puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo, ya que
éste cuenta con mejores características de transferencia de calor.
 
Fig. 3.18 Esquema de la maquinaria y diagrama Ts de un ciclo de
refrigeración por compresión de vapor de dos etapas con enfriamiento
intermedio regenerativo.
La Figura 3.18 muestra un esquema para el ciclo de compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. El líquido que sale del condensador se estrangula (proceso 5-6) al entrar a una cámara de expansión mantenida a presión intermedia entre la presiones del evaporador y el condensador. Todo el vapor que se separa del líquido en la cámara de expansión se transfiere a una cámara de mezclado, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor de baja presión en el estado 2. La cámara de mezclado actúa como un enfriador intermedio regenerativo, pues enfría el vapor que sale del compresor de baja presión antes que toda la mezcla entre la etapa de alta presión del compresor en el estado 3. El líquido saturado de la cámara de expansión se estrangula al pasar a la presión del evaporador en el estado 9.
El proceso de compresión de dos etapas con enfriamiento
intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura
3.18, en la cual se ha supuesto compresión isoentrópica. Aunque el
mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema, los
flujos en cada circuito no son iguales.
Con objeto de analizar el sistema conviene suponer que en uno de
los circuitos circula la unidad de masa. En este análisis supongamos
que la unidad de masa pasa por los estados 3-4-5-6 del circuito de
alta presión. La fracción de vapor formado en la cámara de expansión
es la calidad x del fluido en el estado 6 de la figura 3.18 y ésta es la
fracción del flujo que pasa por el condensador que atraviesa la cámara
de mezclado. La fracción del líquido que se forma es (1-x) y es la
fracción del flujo total que pasa por el evaporador. Se puede evaluar la
entalpía en el estado 3 por medio de un balance de energía en la
cámara de mezclado en condiciones adiabáticas
en la que h3 es la única incognita. El efecto de refrigeración por unidad
de masa que pasa por el evaporador es
La entrada total de trabajo al compresor por unidad de masa que pasa
por el condensador es la suma de las cantidades para las dos etapas,
es decir,
El coeficiente de funcionamiento del ciclo de compresión de vapor en
dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se define como
qrefrig/wcomp.
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Ver también: PROBLEMAS RESUELTOS SOBRE EL
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR
COMPRESIÓN DE VAPOR
Ver también: PROBLEMAS RESUELTOS DE LA
UNIDAD III
Ver también: PROBLEMAS PROPUESTOS DE LA
UNIDAD III
