Máquina frigorífica

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Diagrama del ciclo de una máquina frigorífica por compresión simple: 1) condensador, 2) válvula de expansión, 3) evaporador, 4) compresor.
Una máquina frigorífica a agua, manufacturada porYork International.

Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor que la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía eléctrica mediante un motor eléctrico.

Esta transferencia se realiza mediante un fluido frigorígeno o refrigerante, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.

Una máquina frigorífica debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:

  • Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.
  • Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.
  • Sistema de expansión: El refrigerante líquido entra en el Dispositivo de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.
  • Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

Tanto en evaporador como en el condensador la transferencia energética se realiza principalmente en forma de calor latente.

Resumiendo, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar la circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la presión provocando el enfriamiento del refrigerante.

Económicamente hablando, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayor cantidad de calor (Q2) del foco frío (T2) con el menor trabajo (W). Por ello, se define la eficiencia o COP (que no es lo mismo que rendimiento) de una máquina frigorífica como el cociente Q2/W:

Eficiencia  = \frac{Q_2}{W} = \frac{Q_2}{Q_1-Q_2}
  • Q2 Representa el calor extraído de la máquina frigorífica por los serpentines refrigerantes situados en su interior (congelador).
  • W Es el trabajo realizado por el motor que acciona el compresor.
  • Q1 Es el calor cedido a los serpentines (o radiador) refrigerantes exteriores (en la parte posterior del aparato y que se elimina al ambiente por una circulación de aire (natural o forzada con auxilio de un ventilador, caso de los aparatos de aire refrigerado).

Hay que denotar que la máquina frigorífica se puede utilizar como calentador, como bien se expone en el Ciclo de Carnot. Para ello, basta con hacer que el foco caliente sea la habitación, T1, y el frío el exterior. Es el principo de funcionamiento de la bomba de calor, que es más ventajosa de utilizar que un caldeo por resistencia eléctrica, ya que esta última solamente puede suministrar un calor calculado por equivalente del trabajo que realiza la corriente eléctrica (0.24·I²·R·T), es decir, W, mientras que la bomba de calor proporcionará W+Q2.

Regresando al motor térmico, la evidencia experimental pone de manifiesto que tiene que existir un intercambio de calor del foco caliente al frío. Aun así parece que cuanto menor sea este intercambio más cantidad de calor se transforma en trabajo (según la equivalencia 1 caloría = 4.18 Julios).

El ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot fue el primero que abordó el problema del rendimiento de un motor térmico prescindiendo de los detalles de funcionamiento y enfocó el problema hacia los tres hechos siguientes:

  • Al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada.
  • El calor realiza trabajo mecánico.
  • El motor cede calor a temperatura inferior.

Con ello, prescindiendo de las mejoras que se pudieran introducir basándose en el proyecto puramente mecánico, así como de las mejoras constructivas, Carnot obtuvo la expresíon del rendimiento máximo de un motor térmico (aunque sirve para cualquier máquina termica) que opera entre dos temperaturas. Si la máqina térmica sigue el ciclo de Carnot, máquina ideal, se pueden substituir los valores de Q1 y Q2 por los valores de T1 y T2 (temperaturas absolutas del foco caliente y del foco frío)en las formulas del rendimiento y de la eficiencia.

El rendimiento, como cociente entre el trabajo útil y la energía puesta en juego para conseguirlo, será:

\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}

Según la expresión, el motor térmico tendrá mejor rendimiento cuando el tubo que representa el trabajo obtenido (Q1-Q2) sea lo más ancho posible, y el tubo que representa el calor que sale por el escape (Q2) sea lo más estrecho posible.

En el caso de una máquina ideal:

Motor:

\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}

Máquina frigorífica:

Eficiencia = \frac{Q_2}{Q_1-Q_2} = \frac{T_2}{T_1-T_2}

Bomba de calor:

Eficiencia = \frac{Q_1}{Q_1-Q_2} = \frac{T_1}{T_1-T_2}


Lo que indica que en un motor térmico cuanto mayor sea la temperatura del foco caliente mayor será su rendimiento, y que, en una máquina frigorífica o en una bomba de calor cuanto más próximas sean las temperaturas del foco caliente y del frío mayor será su eficiencia.

Véase también[editar]