Cómo trazar el ciclo frigorífico ideal en un diagrama p-h

Si alguna vez ha estado en una sala de máquinas observando los dos manómetros de una central de compresores y se ha preguntado cómo se relacionan esas dos lecturas con el conjunto del sistema, el diagrama presión-entalpía explica esa relación. Esta guía se basa en un módulo didáctico del profesor R. Paul Singh, que muestra cómo trazar un ciclo ideal de compresión de vapor en un diagrama p-h a partir de tan solo dos presiones o dos temperaturas.

Saber interpretar este diagrama resulta útil para la evaluación del certificado A1 de gases fluorados de la UE. Le ayuda a comprender los estados del refrigerante y los procesos termodinámicos del ciclo frigorífico.

 

Presión y temperatura: una relación fija

Para cualquier refrigerante puro, la presión de saturación y la temperatura de saturación mantienen una relación fija. En el diagrama p-h, la presión se representa en el eje vertical izquierdo, en bar, y la entalpía en el eje horizontal inferior, en kJ/kg. Trace una línea horizontal a cualquier presión y encontrará la misma temperatura de saturación indicada donde esta corta la curva de líquido saturado a la izquierda y la curva de vapor saturado a la derecha.

“Para cualquier sustancia química, y aquí nos referimos, por supuesto, a los refrigerantes, existe una relación muy definida entre la temperatura y la presión.”

Esa relación fija explica el funcionamiento de una tarjeta comparadora de presión y temperatura, y permite que los manómetros incorporen escalas de temperatura para R-410A o R-134a junto a la escala de presión. Estos conocimientos se tratan en el tema «Termodinámica» de la edición de la UE. El anexo I del Reglamento de Ejecución (UE) 2024/2215 establece los requisitos de termodinámica para el certificado A1 de gases fluorados de la UE conforme al Reglamento (UE) 2024/573.

 

Dos presiones definen todo el ciclo

En la sala de máquinas de cualquier almacén frigorífico encontrará dos manómetros en el grupo de compresores. Uno indica la presión del lado de baja, que es la presión del evaporador. El otro indica la presión del lado de alta, que es la presión del condensador. Todos los sistemas de compresión de vapor, desde un enfriador de botellas hasta una cámara frigorífica, funcionan entre estos dos niveles.

“En cualquier sistema frigorífico siempre hay dos presiones. Una es la baja presión y la otra es la alta presión.”

Gracias a la relación entre presión y temperatura, una pregunta de examen o las especificaciones de un proyecto pueden proporcionar la información de cualquiera de estas dos formas:

• Dos presiones: presión de aspiración y presión de descarga, normalmente en bar absolutos.
• Dos temperaturas: temperatura de evaporación y temperatura de condensación, en °C.

Cualquiera de los dos pares es suficiente. Si se facilitan las temperaturas, localícelas en las curvas de saturación y lea en sentido horizontal. Si se facilitan las presiones, trace directamente las líneas horizontales. El objetivo en casi todos los cálculos es el mismo: hallar los tres valores de entalpía que describen el ciclo, normalmente identificados como H1, H2 y H3.

 

Trazado del ciclo paso a paso

El profesor Singh utiliza una temperatura de evaporación de 10 °C y una temperatura de condensación de 40 °C en el ejemplo resuelto. Tenga a mano un diagrama impreso de su refrigerante y siga estos pasos.

1. Trace la línea del evaporador. Localice 10 °C en la curva de líquido saturado y de nuevo en la curva de vapor saturado. Una ambos puntos con una línea horizontal. Este es el lado de baja presión del ciclo, situado bajo la campana de saturación.
2. Trace la línea del condensador. Repita el proceso a 40 °C. Esta línea horizontal se sitúa más arriba en el diagrama y delimita el lado de alta presión.
3. Siga una línea de entropía constante para la compresión. Empiece donde la línea del evaporador corta la curva de vapor saturado a la derecha. Desde este punto, siga la curva de entropía constante, que asciende hacia la derecha y hacia el exterior de la campana, hasta alcanzar la línea de presión del condensador. Ahora se encuentra en la región de vapor sobrecalentado.
4. Trace una línea vertical descendente para la expansión. Sitúese en el punto donde la línea del condensador corta la curva de líquido saturado a la izquierda. Trace una línea vertical hacia abajo hasta alcanzar la línea de presión del evaporador. Esta representa la válvula de expansión.

“A veces puede resultar difícil seguir con exactitud una curva de entropía constante, pero hágalo lo mejor que pueda, ya sea interpolando visualmente entre las líneas de entropía constante vecinas o, si el punto de partida coincide con el punto donde una línea de entropía constante sale de la curva de vapor saturado, siguiendo esa misma línea.”

Las líneas de entropía están impresas en el diagrama, pero están separadas entre sí, por lo que el punto de partida rara vez coincidirá exactamente con una de ellas. Interpole a simple vista entre las dos curvas más cercanas y mantenga el trazo del lápiz paralelo a ellas mientras asciende. Practicar con un diagrama real facilita esta tarea.

 

Interpretación del ciclo: qué significa cada línea

Una vez unidas las cuatro líneas, tendrá el recorrido cerrado de un ciclo ideal. Identifique los vértices como E, A, B, C y D: cada tramo corresponde directamente a un componente del circuito físico.

Tramo	Componente	Proceso
De E a A	Evaporador	El refrigerante hierve a baja presión constante y absorbe calor del espacio refrigerado
De A a B	Compresor	El vapor se comprime siguiendo una línea de entropía constante hasta entrar en la región de vapor sobrecalentado
De B a C	Condensador (eliminación del sobrecalentamiento)	Se elimina el sobrecalentamiento a alta presión constante hasta que el vapor alcanza la saturación
De C a D	Condensador (condensación)	El vapor se condensa hasta convertirse en líquido saturado a alta presión constante
De D a E	Válvula de expansión	La presión desciende a entalpía constante hasta volver a la presión del evaporador

Dos aspectos merecen especial atención al interpretar el ciclo.

En el punto B, el vapor está sobrecalentado. La descarga del compresor siempre se sitúa a la derecha de la curva de vapor saturado. Antes de que pueda producirse la condensación, debe eliminarse ese sobrecalentamiento. Muchos manuales consideran el tramo completo de B a D como la carga térmica total del condensador, lo cual es válido para los cálculos, pero debe saber que la primera parte corresponde a la eliminación del sobrecalentamiento y solo la segunda constituye un verdadero cambio de fase.

La expansión es una línea vertical. El descenso de D a E se traza a entalpía constante. No se intercambia calor ni se realiza trabajo cuando el líquido atraviesa la válvula, por lo que la entalpía en E es igual a la entalpía en D. El vídeo lo describe como un proceso adiabático. En sentido estricto, el estrangulamiento a través de una válvula es isoentálpico, y es la hipótesis de entalpía constante la que da lugar a la línea vertical del diagrama. En cualquier caso, el resultado práctico es el mismo: H a la entrada de la válvula es igual a H a la salida.

“La entalpía en el punto D y en el punto E es la misma, por lo que el proceso de expansión siempre se representa mediante una línea vertical.”

 

Por qué importan los tres valores de entalpía

El objetivo de trazar el ciclo es leer los valores de entalpía en el eje horizontal. Con solo tres valores puede calcular las siguientes magnitudes.

• El efecto frigorífico es el aumento de entalpía a través del evaporador, de E a A. Representa la refrigeración útil por kilogramo de refrigerante en circulación.
• El trabajo del compresor es el aumento de entalpía de A a B. Representa la energía aportada por kilogramo de refrigerante en circulación.
• El calor cedido en el condensador es la disminución de entalpía de B a D, que debe ser igual a la suma de las otras dos magnitudes.
• El coeficiente de rendimiento es el efecto frigorífico dividido entre el trabajo del compresor.

Observe cómo el diagrama permite visualizar los compromisos de diseño. Si aumenta la temperatura de condensación, la línea superior asciende, la línea de compresión se alarga y la línea vertical de expansión se desplaza hacia la derecha, lo que reduce el efecto frigorífico. Si disminuye la temperatura de evaporación, la línea inferior desciende y la línea de compresión vuelve a alargarse. Por eso un condensador sucio o un evaporador cubierto de hielo aumentan el consumo energético.

 

Qué exige el examen de gases fluorados

La evaluación del certificado A1 de gases fluorados de la UE abarca las competencias mínimas enumeradas en el anexo I del Reglamento de Ejecución (UE) 2024/2215. El tema «Termodinámica» de la edición de la UE aborda los requisitos siguientes:

• Conocer las unidades ISO básicas de temperatura, presión, masa, densidad y energía.
• Comprender la relación entre presión y temperatura de los refrigerantes y cómo se utiliza para comprobar el sobrecalentamiento y el subenfriamiento.
• Utilizar tablas y diagramas, incluido el diagrama p-h, para interpretar los estados del refrigerante durante los controles indirectos de fugas y las comprobaciones del funcionamiento del sistema.
• Describir la función de los cuatro componentes principales: compresor, condensador, dispositivo de expansión y evaporador.

Para repasar, practique la identificación del proceso que representa cada línea señalada en un diagrama p-h. Compruebe dónde se sitúan el vapor sobrecalentado, el líquido saturado y la mezcla bifásica respecto a la campana. También debe comprender qué le ocurre al ciclo si aumenta la presión de condensación y qué línea se traza a entropía constante.

Consejo para el examen: Recuerde las formas. Las líneas horizontales representan una presión constante (evaporador y condensador). La línea inclinada hacia arriba y a la derecha representa una entropía constante (compresor). La línea vertical representa una entalpía constante (válvula de expansión). Reconocer estas cuatro líneas le ayuda a interpretar el ciclo sin realizar cálculos numéricos.

Punto clave: El punto B, la descarga del compresor, siempre está en la región de vapor sobrecalentado. El punto D, la salida del condensador, se encuentra sobre la curva de líquido saturado o ligeramente a su izquierda. El punto E, después de la expansión, está dentro de la campana como mezcla de líquido y vapor.

 

Cómo le ayuda F-Gas Exam Prep

Prepararse para la evaluación del certificado A1 de gases fluorados de la UE requiere practicar la interpretación de diagramas p-h, además de repasar el Reglamento (UE) 2024/573 y los procedimientos de recuperación de refrigerantes.

F-Gas Pro – Preparación del examen A1 ofrece más de 540 preguntas de tipo examen distribuidas en 15 temas, cada una con una explicación detallada. El tema «Termodinámica» permite repasar la relación entre presión y temperatura, los procesos del ciclo y los estados del refrigerante.

La aplicación incluye práctica por temas, simulacros de examen cronometrados, tarjetas de repaso, seguimiento del progreso y 12 calculadoras. Está disponible para iOS y Android en inglés, alemán, francés, italiano, español y polaco.

Practique el trazado del ciclo ideal a partir de dos temperaturas y la identificación del estado en cada vértice. La aplicación es una herramienta de estudio independiente. No está vinculada a ningún organismo de certificación y no sustituye a un curso de formación ni a un examen homologados.