Cálculo potencia frigorífica

08/11/202508/11/2025| xavixavi| 0 comentarios| 06:47
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Con del diagrama de Mollier (p–h o h–s según convención) se puede hacer el cálculo de la potencia frigorífica que se necesita para un circuito frigorífico de R-134a.

1) Definición de estados y convenciones

Usaremos la convención habitual del ciclo por compresión de vapor con 4 estados:

  • 1 — salida del evaporador / entrada al compresor: vapor (saturado o algo sobrecalentado). Entalpía = h₁.
  • 2 — salida del compresor: vapor comprimido. Entalpía = h₂.
  • 3 — salida del condensador: líquido (saturado o subenfriado). Entalpía = h₃.
  • 4 — salida de la válvula de expansión / entrada al evaporador: mezcla líquido–vapor (isentálpico en la válvula), entalpía = h₄ ≈ h₃ (la expansión isentrópica real no es, pero la expansión por estrangulamiento es isenthalpica).

En la práctica, la potencia frigorífica del evaporador (capacidad frigorífica) es: Q˙L=m˙ (h1−h4)\dot{Q}_L = \dot{m}\,(h_1 – h_4)Q˙​L​=m˙(h1​−h4​)

donde Q˙L\dot{Q}_LQ˙​L​ en W, m˙\dot{m}m˙ es el caudal másico en kg/s, y hhh en kJ/kg (convertir a J/kg para consistencia en unidades).

2) Procedimiento práctico usando el diagrama (p–h / Mollier)

  1. Fijar temperaturas de diseño: temperatura de evaporación TevapT_{evap}Tevap​ y temperatura de condensación TcondT_{cond}Tcond​ (o las presiones de trabajo).
  2. En el diagrama p–h (Mollier para R-134a):
    • Localiza la isoterma o la presión de evaporación correspondiente a TevapT_{evap}Tevap​. Sobre la línea de saturación, lee la entalpía del vapor saturado hgh_ghg​. Si el refrigerante sale del evaporador con sobrecalentamiento ΔT_s, desplázate por la isobara hasta la temperatura correspondiente y lee h₁ (entalpía de vapor sobrecalentado).
    • Localiza la presión/temperatura de condensación TcondT_{cond}Tcond​. En la línea de saturación lee la entalpía del líquido saturado hfh_fhf​. Si existe subenfriamiento ΔT_sub, desplázate por la isobara hacia la izquierda y toma h₃ (entalpía del líquido subenfriado).
    • Como la expansión por válvula es isentrópica? No — es isenthalpica: por tanto h₄ = h₃.
  3. Calcula la diferencia de entalpía en el evaporador: Δhevap=h1−h4\Delta h_{evap} = h_1 – h_4Δhevap​=h1​−h4​.
  4. Si conoces la carga térmica requerida Q˙req\dot{Q}_{req}Q˙​req​ (W), obtén el caudal másico:

m˙=Q˙reqh1−h4\dot{m} = \dfrac{\dot{Q}_{req}}{h_1 – h_4}m˙=h1​−h4​Q˙​req​​

(asegúrate de usar hhh en J/kg si Q˙\dot{Q}Q˙​ está en W).
5. Potencia del compresor (teórica): W˙comp=m˙ (h2−h1)\dot{W}_{comp} = \dot{m}\,(h_2 – h_1)W˙comp​=m˙(h2​−h1​). Para h2h_2h2​ obtén el punto 2 en el diagrama: partir de h₁ y seguir la compresión real (usando eficiencia adiabática del compresor para estimar h2h_2h2​).
6. COP frigorífico: COP=Q˙LW˙comp\mathrm{COP} = \dfrac{\dot{Q}_L}{\dot{W}_{comp}}COP=W˙comp​Q˙​L​​.

3) Consideraciones prácticas

Para hacer un correcto cálculo de potencia frigorífica, debes de considerar:

  • Usar entalpías reales del diagrama: incluye sobrecalentamiento y subenfriamiento reales.
  • Pérdidas de presión en evaporador/condensador afectan las presiones y, por tanto, las entalpías.
  • Eficiencia del compresor: calcular h2h_2h2​ real a partir del h2sh_{2s}h2s​ isentrópico y la eficiencia adiabática ηc\eta_cηc​:

h2=h1+h2s−h1ηch_2 = h_1 + \dfrac{h_{2s} – h_1}{\eta_c}h2​=h1​+ηc​h2s​−h1​​

  • Unidades: si hhh en kJ/kg y Q˙\dot{Q}Q˙​ en kW, usar m˙=Q˙ [kW]/(h1−h4) [kJ/kg]\dot{m} = \dot{Q}\,[\text{kW}] / (h_1 – h_4)\,[\text{kJ/kg}]m˙=Q˙​[kW]/(h1​−h4​)[kJ/kg] → resultado en kg/s (1 kW = 1 kJ/s).

4) Ejemplo numérico ilustrativo (valores ficticios — no extraídos del Mollier real)

Supongamos: Q˙req=50 kW\dot{Q}_{req} = 50\ \text{kW}Q˙​req​=50 kW. Del diagrama tomamos:

  • h1=390 kJ/kgh_1 = 390\ \text{kJ/kg}h1​=390 kJ/kg (vapor con algo de sobrecalentamiento),
  • h4=h3=250 kJ/kgh_4 = h_3 = 250\ \text{kJ/kg}h4​=h3​=250 kJ/kg (líquido subenfriado).

Cálculo del caudal másico:

  1. Δh=h1−h4=390−250=140 kJ/kg\Delta h = h_1 – h_4 = 390 – 250 = 140\ \text{kJ/kg}Δh=h1​−h4​=390−250=140 kJ/kg.
  2. m˙=50 kW140 kJ/kg=50 kJ/s140 kJ/kg=0,357142857 kg/s\dot{m} = \dfrac{50\ \text{kW}}{140\ \text{kJ/kg}} = \dfrac{50\ \text{kJ/s}}{140\ \text{kJ/kg}} = 0{,}357142857\ \text{kg/s}m˙=140 kJ/kg50 kW​=140 kJ/kg50 kJ/s​=0,357142857 kg/s.
    (operación: 50 ÷ 140 = 0.357142857…)

Si la compresión implica h2−h1=120 kJ/kgh_2 – h_1 = 120\ \text{kJ/kg}h2​−h1​=120 kJ/kg, potencia compresor: W˙comp=0,357142857 kg/s×120 kJ/kg=42,85714284 kW (≈42,86 kW).\dot{W}_{comp} = 0{,}357142857\ \text{kg/s} \times 120\ \text{kJ/kg} = 42{,}85714284\ \text{kW}\ (\approx 42{,}86\ \text{kW}).W˙comp​=0,357142857 kg/s×120 kJ/kg=42,85714284 kW (≈42,86 kW).

COP ≈ 50/42,857=1,166750 / 42{,}857 = 1{,}166750/42,857=1,1667.

Nota: el ejemplo es meramente ilustrativo; para diseño real debes extraer hhh exactas del diagrama Mollier de R-134a para las temperaturas/presiones y considerar eficiencias y pérdidas.

Calculo potencia frigorífica en diagrama de Mollier R-134a
Diagrama de Mollier R-134a

5) Checklist para hacer el cálculo real

  • Temperatura de evaporación y condensación (o presiones).
  • Sobrecalentamiento real y subenfriamiento real.
  • Entalpías h1,h3h_1, h_3h1​,h3​ leídas en el diagrama p–h (Mollier).
  • Eficiencia adiabática del compresor (para h2h_2h2​).
  • Pérdidas de presión en tuberías y accesorios.
  • Cálculo del caudal másico con la fórmula m˙=Q˙/(h1−h4)\dot{m}=\dot{Q}/(h_1-h_4)m˙=Q˙​/(h1​−h4​).

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