El ciclo de compresión de vapor, en cuatro tramos
Todo ciclo frigorífico de compresión es la misma vuelta cerrada. Se ve mejor sobre el diagrama presión-entalpía (p-h), con la presión en escala logarítmica:
- Evaporación (4 → 1). El líquido entra al evaporador ya parcialmente evaporado (en este ejemplo, un 36 % es vapor de flash) y absorbe calor a presión constante. Al final se recalienta unos grados para proteger el compresor.
- Compresión (1 → 2). El compresor sube el vapor de 3,6 a 18,8 bar abs. Es el único tramo en el que se paga energía. La descarga sale a unos 80 °C.
- Condensación (2 → 3). El condensador quita primero el recalentamiento de descarga, después condensa y por último subenfría el líquido.
- Expansión (3 → 4). La válvula baja la presión sin intercambiar calor: la entalpía se mantiene y parte del líquido se evapora (el flash).
Con esos cuatro puntos se sacan las tres cifras que importan:
| Magnitud | Cálculo | Ejemplo R-448A −10/+40 |
|---|---|---|
| Efecto frigorífico | h1 − h4 | 145 kJ/kg |
| Trabajo de compresión | h2 − h1 | 59 kJ/kg |
| COP (eficiencia) | efecto ÷ trabajo | 2,46 |
| Relación de compresión | p descarga ÷ p aspiración (absolutas) | 5,3 |
Lo que mides en obra encaja aquí: el recalentamiento es el tramo final antes del punto 1 y el subenfriamiento, el último antes del punto 3. Para pasar presiones a temperaturas tienes la tabla presión-temperatura, y los valores normales están en valores diana de recalentamiento y subenfriamiento.
¿Por qué el ciclo simple no sirve para baja temperatura?
Porque la relación de compresión crece muy deprisa al bajar la evaporación, y con ella el trabajo y la temperatura de descarga. Mismo cálculo, mismas condiciones salvo la evaporación:
| Ciclo simple | Relación | COP | Descarga |
|---|---|---|---|
| R-448A, −10 / +40 °C | 5,3 | 2,46 | 80 °C |
| R-448A, −35 / +40 °C | 14,9 | 1,33 | 102 °C |
| R-290, −10 / +40 °C | 4,0 | 2,88 | 64 °C |
| R-717, −10 / +35 °C | 4,6 | 3,41 | 146 °C |
| R-717, −35 / +35 °C | 14,5 | 1,76 | 245 °C |
El amoniaco es el caso extremo: es muy eficiente, pero su descarga sube tanto que en baja temperatura una sola etapa no es viable, porque el aceite y las válvulas no aguantan. En HFC y HFO el límite llega antes por rendimiento que por temperatura: cada fabricante de compresor marca en su software la envolvente admisible. Hay dos formas de dividir el salto: el economizador y la doble etapa.
Ciclo con economizador (inyección de vapor)
Una parte del líquido se expande a una presión intermedia en un intercambiador (el economizador) y subenfría el resto del líquido. Ese vapor se inyecta a mitad de compresión, en compresores de tornillo y scroll preparados para ello (EVI).
- R-448A a −35/+40 °C: el COP pasa de 1,33 a 1,54 (+16 %).
- El efecto frigorífico por kilo que circula por el evaporador sube un 39 %, porque el líquido llega mucho más frío. A igual compresor, más capacidad.
- La descarga baja poco (de 102 a 96 °C en este cálculo). Si la descarga es el problema, se usa inyección de líquido o se pasa a doble etapa.
Es la solución habitual en centrales y unidades de baja temperatura con HFC/HFO: un solo compresor, poco equipo añadido.
Doble etapa
Dos compresores en serie (o un compresor compound): la etapa de baja lleva el vapor hasta una presión intermedia, se enfría en un depósito intermedio y la etapa de alta lo sube a condensación. Con amoniaco a −35/+35 °C y depósito intermedio abierto:
- Presión intermedia ≈ 3,5 bar abs (−5 °C), tomando la media geométrica entre aspiración y descarga.
- COP de 1,76 a 1,97 (+12 %).
- Descarga de 245 °C a 93 °C en baja y 123 °C en alta. Esta es la razón de verdad para hacerlo.
En plantas grandes de amoniaco es el estándar. El depósito intermedio suele dar también servicio a los consumidores de temperatura media.
Cascada
Dos circuitos independientes con refrigerantes distintos, unidos por un intercambiador: el de baja condensa evaporando el de alta. Lo normal en industria es NH₃ arriba y CO₂ abajo, de modo que el amoniaco se queda en la sala de máquinas y por las cámaras solo circula CO₂. Cómo funciona, sus presiones y cuándo compensa están en el artículo dedicado a la cascada NH₃/CO₂.
CO₂ transcrítico: cuando no hay condensación
El punto crítico del CO₂ está en 31,0 °C y 73,8 bar. Con aire exterior templado, el CO₂ no puede condensar: en vez de condensador hay un gas cooler que enfría un gas supercrítico. Esto cambia una regla básica: la presión de alta ya no la fija la temperatura. La elige el control con la válvula de alta presión, y hay un valor óptimo para cada temperatura de salida del gas cooler.
- Con salida a 35 °C el óptimo está en unos 89 bar (COP 1,84). Si la válvula se queda en 80 bar, el COP cae a 1,30: un 30 % menos.
- Con salida a 40 °C el óptimo sube a unos 104 bar (COP 1,51).
- En invierno, con 20 °C de condensación, el mismo ciclo trabaja subcrítico a 57 bar con COP 4,2. Por eso el CO₂ rinde muy bien en climas fríos y en España necesita ayudas en verano: compresión paralela, eyectores o subenfriamiento mecánico.
Las centrales booster de supermercado combinan dos cosas: dos niveles de evaporación (media y baja temperatura) y un recipiente intermedio a unos 35–40 bar del que se aspira el vapor de flash.
Las variantes de central de CO₂ (booster, compresión paralela, eyectores, subcrítica) y cuándo conviene cada una están en tipos de centrales de CO₂.
Qué ciclo para cada caso
| Ciclo | Dónde se ve | Lo que resuelve | Lo que cuesta |
|---|---|---|---|
| Simple | Equipos compactos, media temperatura | Sencillez | Rinde mal con relaciones altas |
| Economizador | Baja temperatura con HFC/HFO, tornillo y scroll EVI | +COP y +capacidad con un compresor | Intercambiador y control de inyección |
| Doble etapa | Amoniaco industrial, túneles, congelación | Temperatura de descarga y COP | Más compresores, depósito intermedio |
| Cascada | NH₃/CO₂ en industria, ultracongelación | Refrigerante tóxico confinado, temperaturas muy bajas | Dos circuitos, intercambiador de cascada |
| CO₂ transcrítico | Supermercados, cada vez más industria | Refrigerante natural, sin cuota F-Gas | Altas presiones, control fino, rendimiento en verano |
Visto en campo
- Una temperatura de descarga que sube sin motivo casi nunca es "el ciclo": suele ser poco refrigerante, recalentamiento de aspiración excesivo o un condensador sucio. Antes de culpar al diseño, mide.
- En CO₂, un COP bajo en verano a menudo es una consigna de alta presión mal ajustada o un gas cooler que no recibe el aire que debería. La curva de arriba explica por qué unos pocos bar importan tanto.
- En mezclas con deslizamiento como el R-448A, evaporación y condensación no van a temperatura constante. El recalentamiento se calcula con la temperatura de rocío y el subenfriamiento con la de burbuja. La tabla P-T del R-448A da las dos.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el COP y qué valor es normal?
¿A partir de qué relación de compresión hace falta doble etapa?
¿Por qué el CO₂ no condensa en verano?
Cómo se han hecho los cálculos
Propiedades con CoolProp 8.0. Compresor con rendimiento isentrópico de 0,70, recalentamiento de 5 K, subenfriamiento de 3 K (en CO₂ transcrítico, salida del gas cooler a la temperatura indicada), sin pérdidas de carga ni intercambio con el ambiente. En las mezclas, evaporación a temperatura de rocío y condensación a temperatura de burbuja. Son cifras para comparar ciclos entre sí, no para dimensionar una instalación: para eso, el software del fabricante del compresor.
Fuentes
- Bell, I. H. et al. (2014), Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp, Ind. Eng. Chem. Res. 53(6).
- CoolProp: documentación.
- ASHRAE Handbook—Fundamentals, capítulo 2 "Thermodynamics and Refrigeration Cycles".
- Datos de punto crítico del CO₂: NIST Chemistry WebBook.