Qué es el diagrama y cómo está hecho
En el oficio se llama diagrama de Mollier al diagrama presión-entalpía (p-h): presión en el eje vertical, en escala logarítmica y en bar absolutos, y entalpía en el horizontal, en kJ/kg. Estrictamente, Mollier dibujó el entalpía-entropía (h-s), pero en frío el que se usa es el p-h, porque en él el ciclo frigorífico sale casi como un rectángulo y cada tramo se lee como una resta.
La curva en forma de campana separa tres zonas: a la izquierda, líquido subenfriado; dentro, mezcla de líquido y vapor; a la derecha, vapor recalentado. El borde izquierdo es la curva de líquido saturado (burbuja) y el derecho la de vapor saturado (rocío). Arriba, donde se juntan, está el punto crítico.
| Línea | Cómo es | Para qué sirve |
|---|---|---|
| Isotermas | Casi verticales en el líquido, horizontales dentro de la campana y caídas hacia la derecha en el vapor | Temperatura de saturación y de descarga |
| Isoentrópicas | Suben inclinadas hacia la derecha en la zona de vapor | Compresión ideal: el punto de partida para estimar la descarga |
| Título de vapor (x) | Curvas dentro de la campana, de 0 a 1 | Cuánto vapor sale de la válvula (flash gas) |
| Volumen específico | Curvas suaves en la zona de vapor | Caudal que tiene que aspirar el compresor |
El ciclo en cuatro tramos: qué número sale de cada uno
Sobre el diagrama, el ciclo simple son cuatro puntos. El 1 es la aspiración del compresor, el 2 la descarga, el 3 la salida del condensador o del gas cooler y el 4 la entrada al evaporador.
| Tramo | En el diagrama | Qué se lee |
|---|---|---|
| 4 → 1 Evaporación | Horizontal hacia la derecha, a presión constante | Efecto frigorífico: q₀ = h₁ − h₄ |
| 1 → 2 Compresión | Sube hacia la derecha, algo más tendida que la isoentrópica | Trabajo: w = h₂ − h₁ y temperatura de descarga en la isoterma del punto 2 |
| 2 → 3 Condensación o gas cooler | Horizontal hacia la izquierda | Calor cedido: h₂ − h₃ (lo que puedes recuperar) |
| 3 → 4 Expansión | Vertical hacia abajo: la entalpía no cambia | Título x₄: la fracción que llega ya como vapor (flash gas) |
El punto 1 tiene que caer a la derecha de la curva de vapor saturado, y la distancia es el recalentamiento. Si cae dentro de la campana, al compresor le llega líquido. El punto 3 tiene que caer a la izquierda de la curva de líquido: esa distancia es el subenfriamiento. Los valores de referencia de ambos están en B-004.
CO₂: punto crítico, gas cooler y presión óptima
El diagrama del CO₂ tiene dos fronteras que el frigorista tiene que llevar en la cabeza:
- Punto crítico: 31 °C y 73,8 bar. Por encima no existe condensación. El gas se enfría en el gas cooler sin cambiar de fase, y el ciclo pasa a ser transcrítico.
- Punto triple: −56,6 °C y 5,2 bar. Por debajo de esa presión el CO₂ pasa a sólido. Es el riesgo de hielo seco al cargar o al vaciar, que tratamos en B-003.
Por encima del punto crítico, las isotermas dejan de ser horizontales: bajan en forma de S. La de 35 °C es casi plana entre 80 y 90 bar, así que unos pocos bar más o menos en el gas cooler mueven mucho el punto 3 a izquierda o derecha, y con él el efecto frigorífico. Por eso en transcrítico la presión de alta no la fija la temperatura: la elige el control, con la válvula de alta presión.
Con salida del gas cooler a 35 °C y el mismo ciclo de la figura, así cambia todo según la presión elegida:
| Presión gas cooler | q₀ (kJ/kg) | Título tras la válvula | Descarga | COP |
|---|---|---|---|---|
| 75 bar | 44 | 0,86 | 84 °C | 0,73 |
| 80 bar | 90 | 0,68 | 91 °C | 1,37 |
| 85 bar | 133 | 0,50 | 97 °C | 1,92 |
| 90 bar | 143 | 0,47 | 102 °C | 1,94 |
| 100 bar | 152 | 0,43 | 113 °C | 1,88 |
| 110 bar | 158 | 0,41 | 123 °C | 1,79 |
Dos lecturas de esta tabla. Primera: por debajo del óptimo el COP se hunde y por encima baja despacio; con 10 bar de menos se pierde un 29 %, con 10 bar de más solo un 3 %. Segunda: el óptimo sube con la temperatura de salida del gas cooler. Con 38 °C ya está en torno a 100 bar (COP 1,71 frente a 1,65 a 90 bar).
Una sonda de salida del gas cooler mal colocada o descalibrada hace que la válvula de alta busque una presión que no toca. Si lee de menos, la central trabaja por debajo del óptimo, que es justo la zona donde más se pierde. Antes de tocar consignas, comprueba esa sonda con un termómetro de contacto.
La tabla también explica el flash gas: con 90 bar y 35 °C, casi la mitad del caudal (título 0,47) sale de la válvula como vapor y no enfría nada. Para eso están el depósito intermedio, la compresión paralela y los eyectores: separan ese vapor y lo comprimen desde una presión más alta. El ciclo de la tabla es el simple, sin nada de eso; una central booster real rinde más, pero la forma de la curva es la misma.
Amoniaco: mucho calor latente y descarga muy caliente
La campana del amoniaco es enormemente ancha. A −10 °C, cada kilo que se evapora absorbe 1.296 kJ, cinco veces lo que absorbe el CO₂ a la misma temperatura (259 kJ/kg). Por eso una instalación de amoniaco mueve muy poco caudal másico para la misma potencia.
Lo que más llama la atención en el diagrama son las isoentrópicas: suben muy tendidas, de modo que cualquier salto de presión grande termina en una descarga muy caliente.
| Amoniaco, una etapa | Relación de compresión | Descarga ideal | Descarga real (η 0,70) | COP |
|---|---|---|---|---|
| −10 / +35 °C | 4,6 | 107 °C | 146 °C | 3,41 |
| −35 / +35 °C | 14,5 | 172 °C | 245 °C | 1,76 |
Con 245 °C en la descarga el aceite se degrada y las válvulas sufren: de ahí la doble etapa con enfriamiento intermedio en congelación, que está con números en el artículo de ciclos frigoríficos. El diagrama también avisa de otra cosa: a −35 °C el amoniaco evapora a 0,93 bar absolutos, por debajo de la presión atmosférica. Cualquier poro en el lado de baja mete aire en lugar de sacar gas, y por eso en estas instalaciones el purgador de incondensables trabaja.
CO₂ y amoniaco, frente a frente
| Dato | CO₂ (R-744) | Amoniaco (R-717) |
|---|---|---|
| Punto crítico | 31 °C · 73,8 bar | 132 °C · 113,6 bar |
| Presión de saturación a −10 °C | 26,5 bar abs | 2,9 bar abs |
| Calor latente a −10 °C | 259 kJ/kg | 1.296 kJ/kg |
| Capacidad volumétrica (evaporación −8/−10 °C) | ≈ 14.300 kJ/m³ (subcrítico, +20 °C) | ≈ 2.600 kJ/m³ (+35 °C) |
| 100 kW de frío: caudal másico | 2.519 kg/h (transcrítico, 90 bar) | 324 kg/h |
| 100 kW de frío: caudal aspirado | 35 m³/h | 139 m³/h |
| Título tras la válvula | 0,25 subcrítico · 0,47 transcrítico | 0,15 |
El CO₂ mueve ocho veces más kilos, pero cuatro veces menos volumen: compresores y tuberías de aspiración mucho más pequeños, a cambio de presiones diez veces mayores. El amoniaco hace lo contrario: poco caudal másico, mucho volumen aspirado y presiones moderadas.
Errores de lectura que más se ven
- Entrar con la presión del manómetro. El diagrama va en bar absolutos y el manómetro marca bar relativos: hay que sumar 1,013. En amoniaco a −35 °C, si entras con 0,93 sin sumar, lees −19,5 °C en lugar de −35 °C: un error de 15 K. En CO₂ a 30 bar el mismo descuido da 1,2 K. Cuanto más baja la presión, más grave el error.
- Mezclar diagramas de distinto origen. Cada diagrama fija un cero de entalpía: con referencia IIR, el líquido saturado a 0 °C vale 200 kJ/kg; con la de ASHRAE, el líquido saturado a −40 °C vale 0. Las diferencias de entalpía (q₀, w) valen en cualquiera, pero no puedes tomar h₁ de uno y h₃ de otro.
- Leer una isoterma supercrítica como si fuera horizontal. En el gas cooler la temperatura baja a presión constante: la salida a 35 °C se busca en la curva de 35 °C a la presión de trabajo, no en la campana.
- Tomar la isoentrópica como descarga real. La compresión real cae a la derecha de la ideal. En amoniaco −10/+35 °C, 107 °C ideales son 146 °C reales con un rendimiento de 0,70.
- Contar el recalentamiento de la línea como frío útil. Solo enfría el recalentamiento que se produce dentro del evaporador. El que se gana en la tubería de aspiración calienta el gas y sube la descarga, pero no produce frío.
Saturación sin diagrama
Para pasar presión a temperatura en obra, en bar relativo o absoluto, con CO₂ y amoniaco incluidos.