Secuencia didáctica del laboratorio con lista de cotejo

Datos generales

Resultado de aprendizaje

Al finalizar la sesión, el estudiante identificará correctamente los cuatro componentes principales del sistema, medirá de forma segura las presiones y temperaturas de operación, ubicará los estados 1, 2, 3 y 4 en un diagrama P-h, calculará el efecto frigorífico específico, el trabajo específico del compresor y el COP cuando se disponga de las propiedades y del caudal másico, y justificará al menos dos diferencias entre el ciclo ideal y el ciclo real a partir de los datos obtenidos.

Materiales y recursos

• Banco o equipo didáctico de refrigeración por compresión de vapor en condiciones operativas y con refrigerante identificado.
• Manómetros de alta y baja presión o manifold autorizado por el docente.
• Termopares, termómetros digitales o sensores instalados en los puntos de medición.
• Pinza amperimétrica, vatímetro o datos nominales del compresor, si están disponibles.
• Medidor de caudal másico de refrigerante o registro de caudal proporcionado por el equipo. Si no existe, se trabajará con magnitudes específicas y se declarará la limitación.
• Diagrama P-h del refrigerante empleado, tablas termodinámicas o ficha técnica impresa.
• Hoja de registro de datos, calculadora, lápiz, regla y papel milimetrado.
• Proyector para mostrar el esquema del sistema, el procedimiento y el diagrama P-h.
• Elementos de protección personal: gafas de seguridad, calzado cerrado y bata o ropa de trabajo.
• Extintor, ventilación adecuada y procedimiento institucional de emergencia.

Preparación previa del docente

1. Verificar el estado del equipo, conexiones eléctricas, aislamiento, ventilación, ausencia de fugas visibles y funcionamiento de los sensores.
2. Confirmar el tipo de refrigerante y disponer del diagrama P-h correspondiente. No utilizar propiedades de otro refrigerante.
3. Marcar o identificar los puntos de medición: salida del evaporador/entrada del compresor, descarga del compresor, salida del condensador y salida de la válvula de expansión.
4. Preparar una hoja de datos por equipo con columnas para tiempo, presión, temperatura, estado observado y observaciones.
5. Proyectar un esquema del ciclo con los componentes numerados y mantenerlo visible durante toda la práctica.
6. Definir previamente si los estudiantes podrán accionar el equipo. La apertura de válvulas, manipulación del refrigerante, carga, recuperación y reparación quedan exclusivamente a cargo del personal autorizado.

Secuencia de actividades

Actividad 1. Introducción conceptual y reconocimiento del sistema

Tiempo: 20 minutos.

Objetivo parcial: Reconocer la trayectoria del refrigerante, los cuatro componentes principales y la transformación predominante en cada tramo.

Acciones del docente

• Realiza una explicación magistral breve utilizando el esquema proyectado: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión.
• Presenta la numeración de estados:
  • Estado 1: salida del evaporador y entrada del compresor.
  • Estado 2: descarga del compresor y entrada del condensador.
  • Estado 3: salida del condensador y entrada de la válvula de expansión.
  • Estado 4: salida de la válvula de expansión y entrada del evaporador.
• Relaciona cada componente con su función: absorción de calor, aumento de presión, rechazo de calor y estrangulamiento.
• Subraya que la válvula de expansión se idealiza como un proceso isoentálpico, de modo que h₃ ≈ h₄, mientras que el compresor real no es isentrópico.
• Formula preguntas de comprobación: “¿Por qué la presión debe medirse en escala absoluta para consultar propiedades?” y “¿Qué evidencia indicaría sobrecalentamiento en el estado 1?”

Acciones de los estudiantes

• Siguen el recorrido del refrigerante en el esquema y anotan la función de cada componente.
• Identifican verbalmente los estados 1 a 4 en una imagen o en el equipo real.
• Relacionan cada estado con su posible condición: vapor sobrecalentado, líquido subenfriado o mezcla líquido-vapor.
• Registran las condiciones de operación iniciales indicadas por el docente.

Transición: Antes de pasar a la medición, verifica que cada estudiante pueda señalar sin ayuda los cuatro componentes, seguir la dirección del flujo y explicar qué ocurre con la presión y la temperatura en cada uno. Si persiste la confusión, vuelve a recorrer físicamente el circuito desde la salida del evaporador.

Actividad 2. Verificación de seguridad, montaje e identificación de puntos de medición

Tiempo: 20 minutos.

Objetivo parcial: Preparar el banco de trabajo y establecer un procedimiento seguro y reproducible para obtener datos.

Acciones del docente

• Demuestra la ubicación de los manómetros y sensores sin permitir conexiones improvisadas.
• Explica la diferencia entre presión manométrica y absoluta: P_abs = P_man + P_atm, usando unidades coherentes.
• Indica que no se deben tocar tuberías que puedan estar muy frías o calientes, ni intervenir en conexiones presurizadas.
• Define las variables de control: tiempo de estabilización, condición de carga térmica, ventilación del condensador y régimen de funcionamiento del compresor.
• Solicita que cada equipo formule una predicción cualitativa sobre las relaciones esperadas: P_alta > P_baja, temperatura de descarga mayor que la de succión y temperatura de salida del condensador menor que la de descarga.

Acciones de los estudiantes

• Colocan los elementos de protección personal y revisan el área de trabajo.
• Completan la identificación de los componentes y puntos de medición en la hoja de laboratorio.
• Comprueban que las unidades de presión y temperatura estén claramente registradas.
• Escriben sus predicciones y acuerdan quién registrará datos, quién observará el equipo y quién verificará las unidades.

Transición: Antes de encender o medir, verifica que la lista de seguridad esté completa, que los sensores correspondan a los estados correctos y que ningún estudiante manipule válvulas o conexiones sin autorización.

Actividad 3. Operación del equipo y toma de datos experimentales

Tiempo: 35 minutos.

Objetivo parcial: Obtener un conjunto de mediciones consistentes de presión y temperatura para los estados principales del ciclo.

Acciones del docente

• Enciende el sistema o autoriza su encendido cuando el montaje haya sido revisado.
• Indica el tiempo de estabilización según el equipo disponible. Si el sistema no alcanza régimen estacionario, se registra esa condición y no se presenta como estado estable.
• Supervisa la lectura de presión de baja y alta, y de las temperaturas asociadas a los estados 1, 2, 3 y 4.
• Solicita al menos tres lecturas separadas por intervalos regulares y muestra cómo registrar simultáneamente hora, presión, temperatura y observaciones.
• Revisa que no se modifiquen varias condiciones al mismo tiempo y que cualquier cambio de carga térmica o ventilación quede anotado.

Acciones de los estudiantes

• Observan el funcionamiento del compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
• Registran, en cada intervalo, las siguientes variables:
  • Presión de succión y presión de descarga.
  • Temperatura en la salida del evaporador o succión del compresor.
  • Temperatura de descarga del compresor.
  • Temperatura a la salida del condensador.
  • Temperatura a la salida de la válvula de expansión, si el sensor está disponible.
  • Corriente, potencia eléctrica o caudal másico, cuando el equipo permita medirlos.
• Repiten o descartan una lectura únicamente con justificación técnica, por ejemplo, fluctuación evidente del instrumento o cambio no controlado en la operación.
• Calculan un promedio de las lecturas estabilizadas e identifican posibles valores atípicos.

Transición: Antes de pasar al análisis, verifica que existan lecturas para ambos niveles de presión, que las temperaturas estén asociadas con el estado correcto y que el grupo haya distinguido entre valores medidos, valores calculados y supuestos.

Actividad 4. Construcción del ciclo P-h, cálculos y discusión crítica

Tiempo: 35 minutos.

Objetivo parcial: Interpretar los datos experimentales mediante el diagrama P-h y comparar el comportamiento real con el ciclo ideal.

Acciones del docente

• Explica cómo convertir las presiones a absolutas y cómo consultar las propiedades del refrigerante en tablas, ficha técnica o diagrama P-h.
• Guía la ubicación aproximada de los estados 1, 2, 3 y 4, aclarando que la posición debe justificarse con presión, temperatura y región termodinámica.
• Proporciona o verifica las entalpías obtenidas por cada equipo.
• Presenta las relaciones de cálculo:
  • Efecto frigorífico específico: q_L = h₁ − h₄.
  • Trabajo específico del compresor: w_comp = h₂ − h₁.
  • COP de refrigeración: COP = q_L / w_comp.
  • Calor rechazado en el condensador: q_H = h₂ − h₃.
  • Balance energético específico: q_H ≈ q_L + w_comp.
• Aclara que, sin caudal másico, no es posible determinar directamente la capacidad frigorífica en kW. En ese caso, se reportan magnitudes específicas en kJ/kg y se declara la limitación.
• Promueve la discusión con preguntas: “¿Qué medición demuestra sobrecalentamiento en la succión?”, “¿Qué evidencia de subenfriamiento aparece a la salida del condensador?”, “¿Por qué el trabajo real del compresor puede superar al ideal?” y “¿Qué fuente de incertidumbre afecta más al COP?”

Acciones de los estudiantes

• Convierten las presiones y organizan las unidades antes de consultar propiedades.
• Ubican los cuatro estados en el diagrama P-h y trazan los procesos de compresión, condensación, expansión y evaporación.
• Calculan q_L, w_comp, COP y, cuando sea posible, q_H y el balance energético.
• Comparan el ciclo observado con el ideal e identifican, como mínimo, dos causas de discrepancia: sobrecalentamiento, subenfriamiento, caídas de presión, transferencia de calor no deseada, compresión no isentrópica, errores de lectura o falta de estabilización.
• Redactan una conclusión sustentada en datos, no solamente en afirmaciones generales.

Transición al cierre: Antes de finalizar, verifica que cada equipo haya entregado una tabla de datos, un diagrama P-h con estados numerados, los cálculos con unidades y una conclusión que diferencie claramente el ciclo ideal del real.

Cierre y evaluación formativa

Tiempo: 10 minutos.

• Docente: solicita a cada equipo una conclusión oral de un minuto: un resultado, una discrepancia respecto del ciclo ideal y una mejora para obtener datos más confiables.
• Estudiantes: presentan su interpretación y responden una pregunta de verificación formulada por otro equipo.
• Docente: corrige errores conceptuales comunes: confundir el estado 4 con líquido saturado, usar presión manométrica en tablas, afirmar que la expansión es isentrópica o calcular COP con potencia eléctrica sin declarar el supuesto empleado.
• Estudiantes: completan una salida escrita: “La medición que más ayudó a ubicar el ciclo fue…”, “La principal diferencia entre el ciclo ideal y el real fue…” y “La calidad de los datos podría mejorar mediante…”.

Lista de cotejo del laboratorio

Marque Sí, Parcial o No. Los criterios deben revisarse durante la práctica y al analizar el informe.

Criterios de logro

• Logro conceptual: identifica componentes, dirección del flujo, estados y transformaciones sin contradicciones.
• Logro experimental: obtiene datos repetibles, registra unidades y controla o documenta las condiciones de operación.
• Logro analítico: construye el diagrama P-h y relaciona presión, temperatura y entalpía con cada estado.
• Logro cuantitativo: calcula correctamente el efecto frigorífico específico, el trabajo específico y el COP, indicando supuestos y limitaciones.
• Logro crítico: explica las diferencias entre el ciclo ideal y el real mediante evidencias experimentales y fuentes técnicas proporcionadas por el docente, como tablas de propiedades, manual del equipo o bibliografía de termodinámica y refrigeración.

Contingencia tecnológica y experimental

El proyector se utilizará para mostrar el esquema y el diagrama P-h, pero no es indispensable para la toma de datos. Si falla, se emplearán copias impresas del esquema, del diagrama y del procedimiento. Si un sensor no funciona, se registrará la falla, se utilizará el instrumento alternativo disponible y se indicará explícitamente la incertidumbre. Si el equipo no alcanza régimen estable, los estudiantes analizarán la tendencia temporal, identificarán la condición no estacionaria y evitarán presentar los promedios como valores de equilibrio.