Interpretar el diagrama presión-entalpía: guía práctica para aspirantes al certificado de gases fluorados

Pregunte a un grupo de profesionales de la refrigeración para qué sirve el diagrama presión-entalpía y obtendrá dos respuestas. La mitad dirá que es una herramienta de diseño para quienes trabajan en un despacho. La otra mitad admitirá, en voz baja, que cuando logró entenderlo empezó a diagnosticar los sistemas con mayor rapidez. El segundo grupo tiene razón. El diagrama p-h es la representación más clara de lo que le ocurre al refrigerante entre la descarga del compresor y la salida del evaporador, y cada lectura de sobrecalentamiento que tome durante un trabajo corresponde a un punto de ese diagrama, lo dibuje o no.

Esta guía explica cómo se construye el diagrama, zona por zona, siguiendo el enfoque de un conocido módulo didáctico de termodinámica. Dibújelo una vez y no volverá a necesitar memorizarlo.

Cómo trazar los ejes

Empiece por dos ejes. El eje vertical representa la presión, y aquí es donde suele equivocarse quien empieza:

“Observe que la escala será logarítmica. Por tanto, tenemos 0,1, 1, 10 y 100, y las unidades de presión son bares.”

Esa separación logarítmica es deliberada. Una central frigorífica de baja temperatura puede evaporar a 0,6 bar de presión absoluta mientras la descarga supera los 25 bar. En una escala lineal, todo el lado de baja presión quedaría amontonado cerca del origen. La separación logarítmica permite distinguir los valores en ambos extremos del sistema.

El eje horizontal representa la entalpía específica en kJ por kilogramo de refrigerante, y este sí utiliza una escala lineal sencilla: 0, 100, 200, 300 y así sucesivamente. La entalpía es, sencillamente, el contenido de energía térmica por kilogramo. La distancia horizontal entre dos puntos del diagrama es el calor transferido en ese proceso, por lo que el diagrama facilita tanto los cálculos de potencia frigorífica.

Un detalle que conviene recordar para el examen: las presiones de un diagrama p-h son absolutas, no manométricas. Su puente de manómetros indica la presión manométrica. Sume aproximadamente 1 bar para convertirla en absoluta antes de buscar un punto en el diagrama.

La curva en forma de campana y qué hay a cada lado

A continuación aparece la forma que todos reconocen: una curva en forma de campana desplazada hacia la derecha, situada en el centro del diagrama.

La rama izquierda es la línea de líquido saturado. Cualquier punto sobre ella representa refrigerante completamente líquido, pero a punto de hervir. A la izquierda de esa línea está la zona de líquido subenfriado: líquido a una temperatura inferior a la de saturación correspondiente a su presión. Ese es el estado deseado en la línea de líquido, porque el líquido subenfriado no se vaporizará de forma instantánea de camino al dispositivo de expansión.

La rama derecha es la línea de vapor saturado. Un punto sobre ella representa un 100% de vapor sin ningún sobrecalentamiento. A su derecha se encuentra la zona de vapor sobrecalentado, donde el gas se ha calentado por encima de su temperatura de saturación. En esa zona se sitúan tanto la línea de aspiración como la de descarga.

Las dos ramas se unen en la parte superior, en el punto crítico. Por encima de esa presión y temperatura ya no hay una distinción clara entre líquido y vapor, y ningún aumento de presión conseguirá condensar el refrigerante. Por eso los sistemas transcríticos de CO₂ se comportan de forma tan distinta a las instalaciones convencionales con HFC: funcionan por encima del punto crítico en el lado de alta presión, de modo que no hay condensación, solo enfriamiento del gas.

Dentro de la campana está la zona bifásica: líquido y vapor que coexisten. Casi todo lo útil en refrigeración ocurre dentro de esa campana.

Líneas de temperatura: tres zonas, tres comportamientos

La temperatura se comporta de forma distinta en cada una de las tres zonas, y entender el motivo permite obtener más puntos que memorizar la imagen.

Dentro de la campana, las líneas de temperatura son horizontales. La presión y la temperatura están ligadas durante un cambio de fase: es la relación presión-temperatura que utiliza a diario al convertir una lectura del manómetro en una temperatura de saturación. El vídeo marca las temperaturas en ambas curvas de saturación a la misma altura:

“En la curva de líquido saturado indicaremos -50, -40, 20, 30 y 90… y, manteniendo la misma altura horizontal en el lado derecho, escribiremos -50, -40, 20, 30 y 90.”

A igual presión, igual temperatura, tanto si el título de vapor es del 5% como del 95%. Todo el calor aportado se emplea en la ebullición, no en elevar la temperatura.

En la zona de sobrecalentamiento, las líneas de temperatura constante descienden desde la curva de vapor saturado y se curvan hacia abajo y hacia la derecha. Una vez que se ha evaporado la última gota, aportar más calor eleva la temperatura: ese es el calor sensible, y es precisamente lo que cuantifica la medición del sobrecalentamiento.

En la zona de subenfriamiento, las líneas de temperatura constante son prácticamente verticales. Como señala el vídeo, la mayoría de los diagramas publicados las omiten:

“En el lado izquierdo no vemos realmente estas curvas en el diagrama p-h, pero trazaremos estas líneas verticales desde los distintos valores de temperatura… se entiende que las líneas verticales que parten de esas temperaturas representan líneas de temperatura constante en esa zona.”

La interpretación práctica es que la entalpía del líquido subenfriado depende casi por completo de la temperatura y apenas de la presión.

Líneas de entropía constante

De la curva de vapor saturado parten, inclinadas hacia la derecha, las líneas de entropía constante. Son relevantes para un proceso en particular: la compresión.

La compresión ideal es isentrópica, lo que significa que sigue una de estas líneas. Por tanto, en el diagrama, el recorrido de compresión asciende hacia la derecha a lo largo de una línea de entropía constante, desde el estado de aspiración hasta la presión de descarga. Los compresores reales no son isentrópicos: la fricción, la transferencia de calor y las pérdidas en las válvulas desplazan el punto de descarga real más hacia la derecha, por lo que las temperaturas de descarga reales superan el valor teórico. La diferencia entre ambos representa el rendimiento isentrópico de la máquina y explica por qué un compresor desgastado con fugas en las válvulas descarga a mayor temperatura que otro en buen estado bajo las mismas condiciones.

Líneas de título: cómo interpretar la zona bifásica

Dentro de la campana, una serie de líneas se abre en abanico desde el punto crítico hasta la base. Son las líneas de título de vapor, que a veces se rotulan con valores del 10%, el 20% y así sucesivamente hasta el 90%.

“El título de vapor también se denomina a veces fracción de sequedad. En algunos problemas verá que se utiliza también ese nombre para el título.”

Ambos nombres describen lo mismo: la fracción másica de vapor.

• Título del 0% = la línea de líquido saturado. No hay nada de vapor.
• Título del 100% = la línea de vapor saturado. Todo es vapor; no queda líquido.
• Cualquier valor intermedio = una mezcla húmeda. Con un título del 25%, una cuarta parte de la masa es vapor y las tres cuartas partes restantes siguen siendo líquido.

Aquí es donde el diagrama demuestra su utilidad para localizar averías. Cuando el refrigerante líquido sale del condensador y atraviesa la válvula de expansión, la caída de presión provoca que una parte se convierta instantáneamente en vapor. Ese gas flash no aporta refrigeración útil: ya ha absorbido su calor latente. El punto en el que se sitúa el refrigerante en el diagrama tras la expansión indica exactamente cuánto gas flash hay. Si subenfría más el líquido, ese punto se desplaza hacia la izquierda, hasta un título menor, lo que significa que queda más líquido disponible para evaporarse en el evaporador y se obtiene más potencia frigorífica con el mismo caudal másico. Esa es toda la justificación para mantener un buen subenfriamiento, representada en una sola línea.

Del mismo modo, el proceso del evaporador avanza de izquierda a derecha por una línea horizontal dentro de la campana, desde un título de quizá el 20% en la entrada hasta el 100% en la línea de vapor saturado. Después entra en la zona de sobrecalentamiento tantos kelvin como mantenga la válvula de expansión.

Su papel en la evaluación del certificado A1 de gases fluorados de la UE

El diagrama p-h forma parte del temario del certificado A1 de gases fluorados de la UE conforme al Reglamento de Ejecución (UE) 2024/2215. En la edición de la aplicación para la UE, se relaciona especialmente con Termodinámica, Refrigerantes alternativos y Alternativas en la práctica, que aborda el CO₂, el amoníaco y la eficiencia energética. El certificado A1 abarca las actividades especificadas con gases fluorados e hidrocarburos en aparatos de cualquier tamaño de carga.

El temario exige que los candidatos utilicen e interpreten diagramas p-h. Las siguientes aplicaciones son pertinentes para preparar la evaluación:

1. Calor latente frente a calor sensible — reconocer que el desplazamiento horizontal dentro de la campana corresponde al calor latente, mientras que el desplazamiento en las zonas de sobrecalentamiento y subenfriamiento corresponde al calor sensible.
2. Sobrecalentamiento y subenfriamiento — saber en qué zona se mide cada uno y por qué ambos son relevantes para proteger el compresor y mantener la potencia frigorífica del sistema.
3. El efecto de una presión de condensación elevada — un condensador obstruido eleva la presión del lado de alta, lo que alarga el recorrido de compresión, aumenta la temperatura de descarga y reduce el efecto frigorífico útil.
4. Propiedades de los refrigerantes — el motivo por el que los diagramas de R-744, R-290 y R-134a difieren tanto en forma y escala.

También hay una dimensión normativa. El Reglamento (UE) 2024/573 exige a los operadores tomar precauciones para evitar las liberaciones accidentales de gases fluorados y adoptar medidas técnica y económicamente viables para minimizar las fugas. Un sistema con un subenfriamiento insuficiente, un sobrecalentamiento elevado o una sobrecarga trabaja más, funciona a mayor temperatura y somete a esfuerzos las uniones y juntas, lo que aumenta el riesgo de fugas. El art. 4 exige reparar las fugas detectadas sin demora injustificada. El art. 5 establece los requisitos e intervalos de control de fugas en función de la carga en equivalente de CO₂ para los gases del anexo I, o de la masa de la carga para los gases del anexo II, sección 1. Comprender el diagrama p-h ayuda a detectar la ineficiencia antes de que se convierta en una emisión.

También está relacionado con la selección del refrigerante y la minimización de la carga. El anexo IV establece restricciones a la introducción en el mercado de determinados productos y aparatos, mientras que el anexo VII fija el calendario de reducción gradual de las cuotas de HFC. Comprender el ciclo ayuda a los técnicos a evaluar el rendimiento del sistema cuando trabajan con refrigerantes de menor PCG y cargas más pequeñas.

Convertir el diagrama en un hábito

No necesita llevar un diagrama p-h en la caja de herramientas. Necesita tener una imagen mental para poder situar las lecturas cuando las tome:

• Presión de aspiración y temperatura de la línea de aspiración → un punto en la zona de sobrecalentamiento, a la derecha de la línea de vapor saturado. La separación horizontal respecto a la curva es el sobrecalentamiento.
• Presión y temperatura de descarga → un punto muy a la derecha y en la parte alta, bien adentrado en la zona de sobrecalentamiento.
• Presión y temperatura de la línea de líquido → un punto a la izquierda de la línea de líquido saturado si hay subenfriamiento; sobre la curva si no lo hay.

Tres lecturas, tres puntos, y habrá esbozado el ciclo de funcionamiento. Un técnico que razona así detecta una restricción en la válvula de expansión o un evaporador inundado más rápido que otro que solo compara cifras con una tabla.

Cómo encaja F-Gas Exam Prep en esta preparación

La aplicación F-Gas Pro – Preparación del examen A1 ayuda a preparar la evaluación del certificado A1 de gases fluorados de la UE. Está disponible para iOS y Android e incluye:

• Más de 540 preguntas de tipo examen repartidas en 15 temas, incluido Termodinámica, que abarca el ciclo frigorífico.
• Simulacros de examen cronometrados para practicar con un límite de tiempo.
• Tarjetas de estudio y práctica por temas para repasar los conceptos clave.
• 12 calculadoras para facilitar los cálculos técnicos.
• Explicaciones detalladas de cada respuesta, para que pueda repasar el principio en el que se basa.

Resuelva las preguntas de termodinámica teniendo presente el diagrama para relacionar la teoría con las lecturas del sistema. La aplicación es un recurso de estudio independiente y no sustituye a un curso de formación homologado ni a un examen.