Máquina frigorífica de Carnot

El principio de funcionamiento de los circuitos frigoríficos es también el ciclo de Carnot, pero ahora recorrido en sentido inverso al de los motores térmicos. Por tanto ahora, a expensas de un trabajo exterior, el fluido criogénico extraerá calor de una fuente fría para cedérselo a una fuente caliente. Una instalación frigorífica que funcionase de acuerdo con este ciclo constaría de los siguientes elementos básicos: condensador, que sería el foco caliente, T₁, un evaporador, que sería el foco frío, T₂, un compresor que eleva la presión y temperatura del fluido, y un expansor o turbina donde el líquido disminuye de presión y temperatura. Las cuatro etapas del ciclo son:

• El compresor, accionado por un motor (que aporta el trabajo consumido en este proceso), aumenta de una forma adiabática la presión y temperatura del fluido refrigerante de P₁ a P₂ y de T_f a T_c. (Tramo 1 –2)
• El fluido llega al condensador donde se licúa, cediendo un calor, Q₁, al sistema de refrigeración del condensador, el cual se calienta permaneciendo el fluido a temperatura constante, T_c. (Tramo 2 – 3)
• En el expansor, el fluido enfriado se expansiona adiabáticamente disminuyendo la presión y la temperatura hasta T_c, con lo que el fluido se evapora parcialmente. (Tramo 3 – 4)
• El fluido llega al evaporador, donde se expansiona isotérmicamente a T_c, vaporizándose casi en su totalidad a presión constante, absorbiendo un calor, Q₂, del sistema a refrigerar. (Tramo 4 –1)

Los ciclos de refrigeración que se verifican en la práctica se diferencian del de Carnot en dos aspectos fundamentales: En primer lugar, los procesos reales no son reversibles, sino que se desvían del comportamiento ideal. El segundo de los aspectos lo tenemos en la compresión, ya que a la entrada del compresor el fluido es una mezcla de líquido y vapor, y este tipo de mezcla presenta grandes problemas en la compresión, por lo que no se emplea: en los sistemas reales se comprime sólo vapor, para lo cual se sigue la evaporación, en el evaporador, hasta obtener vapor saturado. Además de estos aspectos, otra cuestión a considerar es la expansión del líquido saturado que sale del compresor a través de la turbina. El trabajo que se obtiene es mucho menor que el necesario para el compresor, con lo que se opta por eliminar la turbina y sustituirla por un elemento de simple expansión, como puede ser una válvula de estrangulamiento o una válvula de laminación, basadas en la disminución de presión que experimenta un fluido al pasar por un estrechamiento. Así, obtenemos un ciclo modificado que se asemeja más al funcionamiento de los sistemas reales.

Fundamentalmente, hay dos tipos de sistemas de refrigeración: los de vapor y los de gas. En los de vapor, el refrigerante se vaporiza y condensa alternativamente en los distintos elementos del circuito, mientras que en los de gas, el refrigerante permanece siempre en estado gaseoso.

Sistemas de refrigeración de vapor y de gas Tanto para el sistema de vapor como para el de gas, el ciclo teórico es el mismo diferenciándose entre sí por el orden en que se recorre.

En el sistema de refrigeración por vapor, los procesos que se llevan a cabo son los siguientes:

• Compresión adiabática de la mezcla líquido-vapor a la entrada del compresor hasta convertirlo en vapor saturado. La presión y temperatura aumentan, siendo ésta la etapa en la que se suministra trabajo al sistema (para que actúe el compresor) (Tramo 1 –2).
• Cesión de calor desde el refrigerante al exterior (foco caliente). En este proceso, el fluido se condensa, siendo el calor cedido el calor latente de vaporización del fluido criogénico, permaneciendo por tanto la temperatura, y la presión, constante. (Tramo 2 – 3).
• Expansión adiabática del fluido en una turbina pasando éste de un líquido saturado hasta una mezcla de líquido vapor, produciéndose un trabajo positivo y disminuyendo la temperatura y presión. Tal y como se señaló, la turbina suele reemplazarse por una válvula de expansión, añadiéndose entonces al circuito un acumulador donde se almacena el fluido procedente del condensador. (Tramo 3 –4).
• Absorción de calor del foco frío por parte del refrigerante en el refrigerante. El fluido que entra como una mezcla de líquido y vapor en el evaporador y se enriquece en vapor, recuperando a la salida del mismo las condiciones iniciales de presión, temperatura y volumen, dando comienzo un nuevo ciclo (Tramo 4 –1).

En el sistema de refrigeración por gas, el ciclo da comienzo por la expansión adiabática en la turbina, con la consiguiente producción de un trabajo positivo aprovechable (Tramo 3-4). A continuación, en un intercambiador de calor, el gas absorbe calor del foco frío aumentando su temperatura (Tramo 4 –1). Seguidamente, el gas se comprime adiabáticamente en el compresor, lo que requiere de un trabajo exterior, aumentando su presión y temperatura (Tramo 1 –2). Por último, el gas pasa por un enfriador, cediendo calor al medio exterior y recuperando las condiciones iniciales para dar comienzo a un nuevo ciclo (Tramo 2-3).

Entre las aplicaciones de las máquinas frigoríficas tenemos: refrigeración de cámaras para el almacenamiento y conservación de alimentos, de camiones o vagones para el transporte de artículos perecederos, aire acondicionado doméstico, etc. En todos ellos, se considera como foco frío el sistema a refrigerar, y como foco caliente el medio ambiente.