Diagrama de Molliere
Introducción
¡Hola!
Es un placer encontrarte en esta tercera sesión, confío en que te encuentres gozando de una salud envidiable, pues de ello depende también tu estabilidad académica. Y entrando en materia te ofrezco la bienvenida a la sesión, espero que sea de tu agrado.
En esta sesión se revisará el concepto y uso de una herramienta muy utilizada en Ingeniería del Frío para conocer entre otras cosas, las propiedades termodinámicas de los refrigerantes en cualquier estado termodinámico y en cualquier parte del ciclo de refrigeración, me refiero al diagrama de Mollier, que es único para cada sustancia refrigerante.
Se revisarán de manera particular las variables que contiene el diagrama tales como el volumen específico (líneas isocóricas), líneas isotermas, de saturación, isoentrópicas e isóbaras. Esta información sobre un esquema de variación en presión y entalpía.
Se mostrará cómo identificar un estado de saturación y cómo influyen las líneas isotermas y de volumen específico para el caso del incremento y reducción del coeficiente de desempeño energético. Como puedes darte cuenta, la herramienta es muy importante, ya que gracias a ella, es posible identificar también los procesos termodinámicos por los cuales pasa el refrigerante a lo largo de todo el ciclo de refrigeración.
Antes de iniciar con la explicación del uso del diagrama de Mollier, será conveniente revisar un poco de historia para poner en contexto la procedencia de esta herramienta. También se revisarán los conceptos de subenfriamiento y recalentamiento del refrigerante y cómo afectan estas variables en el funcionamiento óptimo del ciclo de refrigeración.
De esta manera, te invito a que continúes con tu curso ya que seguirás aprendiendo a utilizar herramientas, implementar metodologías y resolver problemas prácticos de la vida real en materia de sistemas de refrigeración por compresión de vapor.
¡Adelante con mucho ánimo!
Desarrollo del tema
El diagrama de Mollier es un gráfico donde se representan en un punto las condiciones de un refrigerante en cualquier estado termodinámico y en cualquier parte del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. En ocasiones, esta herramienta se conoce también como diagrama p-h o diagrama presión-entalpía.
Un refrigerante sufre transformaciones durante todo el ciclo termodinámico de refrigeración por compresión de vapor y es el diagrama de Mollier la herramienta utilizada para representar estas transformaciones. Como se mencionó anteriormente, cada refrigerante tiene su propio diagrama p-h.
El diagrama de Mollier se representa mediante dos ejes, uno vertical y otro horizontal. En el eje vertical se representa la presión absoluta a escala logarítmica. Por otro lado, en el eje vertical se representa la entalpía específica, siendo esta última, la energía o cantidad de calor que posee el refrigerante en un estado determinado. En el diagrama p-h se distinguen tres zonas que corresponden con diferentes estados físicos del refrigerante y quedan delimitadas por la curva de Andrews [1]:
- Zona de vapor,
- Zona de líquido y vapor (mezcla) y,
- Zona de líquido.
En el diagrama 1 se muestra el diagrama de Mollier típico para cualquier refrigerante, Tomando como base este diagrama, a continuación se describen las zonas del diagrama mencionadas.
Zona de vapor
La zona de vapor es aquella que se encuentra a la derecha de la curva de Andrews, esta zona se identifica en la Figura 1 como la línea azul. Sobre esta línea, las propiedades del refrigerante se deben considerar como de vapor saturado, es decir, con calidad igual a la unidad.
Zona de líquido y vapor
La zona conocida como de mezcla, se muestra con la letra A en la Figura 1. Aquí se debe considerar que el refrigerante posee cierta calidad, por lo que debe considerarse esta condición al momento de realizar cálculos.
Zona de líquido
La zona sobre la cual el refrigerante se encuentra en estado líquido es la representada por la línea naranja. Sobre toda esta zona las propiedades del refrigerante deberán considerarse como de líquido saturado, lo que significa que la calidad en este estado es nula.
Otras tres zonas que se pueden identificar en el diagrama de Mollier, además de las ya mencionadas, son las zonas de vapor sobrecalentado, líquido subenfriado y condición supercrítica. La primera de estas zonas se identifica con la letra B para la Figura 1, mientras que la segunda y la tercera son las letras C y D, respectivamente. Cabe mencionar que, particularmente para la condición o zona supercrítica, ésta se alcanza cuando se evalúan propiedades del refrigerante por encima del punto crítico, el cual se encuentra justamente en la cima de la curva de Andrews (donde ocurre el cambio de color en la Diagrama 2).
En el diagrama 2 se pueden mencionar los procesos termodinámicos que se presentan en el ciclo, representados en el diagrama de Mollier. A continuación se muestran estos procesos con la identificación del color correspondiente en la diagrama 2.
Tanto el subenfriamiento como el recalentamiento son procesos de suma importancia en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, ya que éstos afianzan el óptimo funcionamiento del sistema. Por un lado, el subenfriamiento garantiza que no habrá escarcha en la línea de alta presión o que no existirá expansión prematura, así como también ayudará a que el efecto refrigerante (diferencia de entalpía entre la entrada y la salida del evaporador) sea más amplio.
Por otro lado, el sobrecalentamiento tiene mucha relevancia ya que asegurará que no regrese líquido al compresor. Un golpe de líquido es capaz de romper, en algunos casos, los componentes mecánicos del compresor y/o provocar que el motor de “amarre” y/o desprender partículas metálicas hacia el interior del circuito y/o contaminar el refrigerante y/o bloquear los dispositivos de expansión [2].
Elementos que conforman un diagrama de mollier
En el diagrama de Mollier, además de los procesos que se pueden representar como se acaba de revisar en el tema anterior, se deben identificar los principios por los cuales está formada esta herramienta, lo anterior para saber el nivel de refrigeración que se encuentra en el sistema, y de esta manera estimar la cantidad de refrigerante que existe.
Para la manipulación del diagrama, es necesario saber que existen seis variables más que se deben tomar en cuenta para poder realizar el diagrama, dichas variables son las siguientes [3]:
- Líneas Isóbaras,
- Líneas isoentálpicas,
- Líneas Isotermas,
- Líneas isócoras,
- Líneas isoentrópicas,
- Nueve curvas de calidad o título de vapor que indican el porcentaje de masa de vapor contenido en la mezcla líquido-vapor.
Es importante conocer estas seis variables, ya que sin ellas, no es posible saber cómo está estructurado el diagrama de Mollier y así poder evaluar la condición en la cual se encuentran los equipos y saber que se puede hacer con ellos.
En la Diagrama 3 se muestra un diagrama de Mollier típico para el R134a donde se pueden observar estas seis variables, así como la distribución de las mismas en todo el diagrama.
Para entender un poco más el uso del diagrama de Mollier, a continuación se muestra el procedimiento para calcular tanto el trabajo en el compresor, el efecto refrigerante, el calor rechazado hacia el ambiente, expansión isoentálpica, el subenfriamiento y el recalentamiento de un refrigerante.
Efecto refrigerante
Gráficamente, este parámetro será el que se ilustra en la Diagrama 4. Esta Figura ilustra el ciclo de refrigeración ideal, y en ella se considera que el refrigerante sale del evaporador como vapor saturado.
Trabajo de compresión
El trabajo de compresión se muestra en la Diagrama 5.
Calor rechazado al ambiente
El calor rechazado al ambiente se puede ver en la Diagrama 6.
Expansión isoentálpica
La expansión isoentálpica se observa en la Diagrama 7.
Subenfriamiento
El subenfriamiento se muestra en la Diagrama 8.
Recalentamiento
El recalentamiento o sobrecalentamiento se puede observar en la Diagrama 9.
En primer instancia se debe recordar de Termodinámica que el efecto de refrigeración es la diferencia entre la entalpía de la salida y la de la entrada del evaporador, por lo cual, este parámetro del ciclo se obtiene de (1):
También se tiene que la tasa de rechazo de calor desde en la etapa de condensación es:
En el compresor, el trabajo específico desarrollado por este equipo es:
Finalmente, cuando la expansión de lleva a cabo en una válvulo o tubo capilar, ésta se realiza a entalpía constante, es decir:
Los valores de las entalpías pueden ubicarse en el diagrama de Mollier y una vez conociéndolos, se pueden trazar los procesos llevados a cabo: compresión, condensación, evaporación, expansión.
A manera complementaria, te invito a revisar los siguientes videos que permitirán aumentar el conocimiento del uso del diagrama de Mollier revisado en esta sesión.
Conclusión
En conclusión, en esta sesión tuviste la oportunidad de aprender varias cosas, entre ellas: las zonas que se ubican en un diagrama de Mollier, los procesos que pueden ser graficados sobre este diagrama y cómo ubicar variables como entalpía, volumen específico, entre otras. Además, se revisaron conceptos como zona de líquido saturado, vapor saturado y mezcla. También se revisaron diferentes conceptos como sobrecalentamiento, subenfriamiento, efecto refrigerante, compresión, expansión, condensación y evaporación. Toda esta información presentada a lo largo de la sesión, es de gran relevancia para que puedas aprovechar al máximo el diagrama de Mollier, el cual, como te pudiste dar cuenta, es una herramienta muy práctica y sencilla de manejar. En Termodinámica, el uso de este diagrama es básico y, mediante un adecuado manejo, es posible plantear y resolver problemas sobre todo cuando éstos implican alguno de los procesos mencionados, debido a que es posible identificar la zona en donde se encuentra el fluido a partir de dos condiciones. Algo importante que se debe remarcar es que en el Diagrama de Mollier, la ordenada (la presión) está dada de manera logarítmica, por lo que no debes perder de vista esta consideración.
Finalmente, te invito a continuar con tu curso. En la cuarta sesión se revisarán conceptos clave para identificar un ciclo de refrigeración, por lo que este tema resulta un conector importante para la comprensión del tema que está por venir. Recuerda siempre que, en cada sesión aprendes cosas nuevas y el conocimiento adquirido es un tesoro para tu mente.
Hemos llegado al final de la clase. ¡Te felicito por tu logro! En caso de dudas consulta a tu asesor. A continuación te invito a resolver y entregar en tiempo y forma la consigna incluida en esta clase.
¡Vas avanzando muy bien! Continúa con gusto y entusiasmo tu estudio. Nos leemos en la siguiente lección.
Fuentes de información
¿Cómo usar un diagrama de Molliere?, extraído de: CóMO USAR DIAGRAMA DE MOLLIER | Web Oficial EUROINNOVA
De la Torre Viladomat, A. R. (2017). Diagrama de Mollier y ciclo de refrigeración mecánica., extraído de: Diagrama de Mollier y el ciclo de refrigeración mecánica
Diagrama de Mollier, todo lo que necesitas saber, extraído de: https://uncomohacer.com/diagrama-de-mollier/
Diagrama de Mollier, extraído de: Diagrama de Mollier R-134a – Manuales Frigoríficos y de aire acondicionado