Descripción general
La termodinámica explica el funcionamiento de la refrigeración, el aire acondicionado y las bombas de calor. Estos principios sirven de base para preparar el certificado A1 de la UE conforme al Reglamento de Ejecución (UE) 2024/2215.
Unidades del SI y medición
- Presión: pascal (Pa); 1 Pa = 1 N/m². Exactamente 1 bar = 100 kPa.
- Temperatura: kelvin (K). Sume 273,15 a la temperatura en grados Celsius; 0 K = −273,15 °C. Ambas escalas tienen incrementos iguales, pero sus lecturas numéricas nunca coinciden.
- Energía: julio (J). Potencia: vatio (W); 1 W = 1 J/s.
- Masa: kilogramo (kg). La densidad (kg/m³) es la inversa del volumen específico (m³/kg).
Presión y temperatura
Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica, siendo esta última aproximadamente 1,013 bar. La presión manométrica toma como referencia la atmósfera; la presión absoluta, el vacío. Compruebe qué referencia de presión utilizan los diagramas de presión-temperatura específicos de cada refrigerante.
Una presión más alta eleva la temperatura de saturación. Calentar un gas confinado a volumen constante aumenta la presión. Ley de Dalton: la presión total equivale a la suma de las presiones parciales; el aire atrapado aumenta la presión de descarga.
- Sobrecalentamiento: temperatura del vapor menos temperatura de saturación a la misma presión. Así, −4 °C − (−10 °C) = 6 K. Protege frente a los golpes de líquido; un sobrecalentamiento excesivo eleva la temperatura de descarga y reduce la potencia frigorífica.
- Subenfriamiento: temperatura de saturación menos temperatura del líquido. Así, 40 °C − 35 °C = 5 K. Un mayor subenfriamiento reduce el gas flash y aumenta el efecto frigorífico.
Mida simultáneamente la presión y la temperatura de la tubería. En las mezclas, utilice la temperatura del punto de rocío para el sobrecalentamiento y la del punto de burbuja para el subenfriamiento. Una válvula de expansión termostática (VET) regula el sobrecalentamiento a la salida del evaporador.
Transferencia de calor
- Conducción: a través de las paredes de las tuberías.
- Convección: mediante aire o líquido en movimiento.
- Radiación: mediante ondas electromagnéticas.
La energía se conserva. El calor fluye de forma natural de los cuerpos más calientes a los más fríos; la refrigeración requiere trabajo para invertir esta transferencia. La entropía de un sistema aislado aumenta durante los procesos irreversibles y permanece constante durante los procesos reversibles.
El ciclo frigorífico
- Compresor: recibe vapor sobrecalentado a baja presión; en la descarga se alcanzan la presión y la temperatura más altas.
- Condensador: elimina el sobrecalentamiento del vapor, lo condensa y subenfría el líquido. El calor cedido equivale al calor absorbido en el evaporador más la energía de compresión.
- Dispositivo de expansión: reduce la presión y la temperatura a entalpía aproximadamente constante. Parte del líquido se evapora y forma gas flash, enfriando el líquido restante.
- Evaporador: absorbe calor, principalmente mediante la ebullición, y después sobrecalienta el vapor.
Calor latente y sensible
El calor sensible cambia la temperatura sin cambiar la fase. El calor latente cambia la fase, a temperatura constante en el caso de refrigerantes puros a presión constante.
El líquido saturado se encuentra en su punto de burbuja; el vapor saturado, en su punto de rocío. Las mezclas zeotrópicas, como R-407C, presentan deslizamiento de temperatura. Las fugas pueden causar fraccionamiento, lo que modifica la composición, las presiones y la potencia frigorífica; reponer refrigerante puede no restablecer las prestaciones. Cargue estas mezclas en fase líquida, evitando que entre líquido en el compresor. Las mezclas azeotrópicas tienen un deslizamiento despreciable.
Diagramas de presión-entalpía
La presión se representa en el eje vertical, normalmente en escala logarítmica; la entalpía específica (kJ/kg), en el horizontal.
- Regiones: líquido subenfriado a la izquierda de la campana de saturación, mezcla de líquido y vapor en su interior y vapor sobrecalentado a la derecha. La fracción de vapor aumenta de izquierda a derecha dentro de la campana.
- Evaporación: horizontal hacia la derecha; condensación: horizontal hacia la izquierda, suponiendo una presión constante.
- Expansión: vertical hacia abajo a entalpía constante.
- Compresión ideal: asciende a lo largo de una curva de entropía constante; la compresión real requiere más trabajo.
Rendimiento del ciclo y diagnóstico de averías
El efecto frigorífico neto es el calor absorbido por kilogramo mediante la evaporación y el sobrecalentamiento útil. La potencia frigorífica equivale al caudal másico multiplicado por este efecto.
COP de refrigeración = potencia frigorífica ÷ potencia de entrada del compresor. Un COP de 3 significa 3 kW de potencia frigorífica por cada 1 kW de potencia de entrada. Una temperatura de evaporación más alta o una temperatura de condensación más baja mejora el COP. Relación de compresión = presión absoluta de descarga ÷ presión absoluta de aspiración; las relaciones más altas reducen el rendimiento volumétrico. El SEER pondera la eficiencia en las distintas condiciones estacionales de carga parcial.
Estos supuestos de examen ilustran patrones de avería; el comportamiento real depende de los controles del sistema:
| Avería | Cambios esperados |
|---|---|
| Fuga de refrigerante | Ambas presiones disminuyen; el sobrecalentamiento y la temperatura de descarga aumentan; el subenfriamiento llega a cero. |
| VET bloqueada en posición abierta | La presión de evaporación aumenta; el sobrecalentamiento disminuye; el líquido puede dañar el compresor. |
| Caudal de aire restringido en el condensador | Ambas presiones y la temperatura de descarga aumentan; se pierde el subenfriamiento. |
| Caudal de aire restringido en el evaporador | Ambas presiones y la temperatura de descarga disminuyen; la VET mantiene el sobrecalentamiento; el subenfriamiento llega a cero. |
Consejo para el examen: Utilice presiones absolutas para calcular las relaciones de compresión. Exprese el sobrecalentamiento y el subenfriamiento en K. Interprete conjuntamente las lecturas de presión, temperatura y caudal de aire.
