Principios de Refrigeración – Ciclo Frigorífico

En este artículo veremos como se producen los diferentes cambios de estado y como se comportan en el refrigerante dentro del ciclo frigorífico. De esta manera entenderemos los principios de funcionamiento de la refrigeración así como del mismo ciclo frigorífico.

Los estados principales de la materia son tres: Sólido, Líquido y Gaseoso.

  • Sólidos

Un sólido es cualquier sustancia física que conserva su forma incluso cuando no está en un envase. Se compone de miles de millonescambios de estado de moléculas, todas exactamente del mismo tamaño, masa y forma. Las moléculas permanecen en la misma posición relativa con respecto a las otras y están en la condición de vibración rápida. Cuanto más baja es la temperatura, más lentamente vibran las moléculas. Cuanta más alta es la temperatura, más rápida es la vibración. Las moléculas son atraídas fuertemente una hacia la otra. Se necesita una fuerza considerable para separarlas.

  • Líquidos

Un líquido es cualquier sustancia física que cobra libremente la forma de su envase. Sus moléculas son atraídas fuertemente entre sí.
Imagine las moléculas como si estuvieran nadando entre sus compañeras sin jamás separase de ellas.
Cuanta más alta es la temperatura, más rápidamente nadan las moléculas,

  • Gases

Un gas es cualquier sustancia física que debe encerrarse en un recipiente sellado para evitar que se escape a la atmósfera. Las moléculas tienen poca o ninguna atracción entre ellas, y vuelan en línea recta. Rebotan unas contra otras, contra otras sustancias o contra las paredes del recipiente.

La mayoría de las sustancias cambian su estado físico con la adición o extracción de calor.

Causas de adición de calor:

  • Sólidos que se transforman en líquidos —> Fusión
  • Sólidos que se transforman en gases      —> Sublimación
  • Líquidos que se transforman en gases   —> Evaporación

Causas de extracción de calor:

  • Gases que se transforman en líquidos    —> Condensación
  • Líquidos que se transforman en sólidos —> Solidificación

Cualquier cuerpo puede estar en uno de los tres estados y esta circunstancia dependerá de la temperatura a la que se encuentre.

Ejemplo:

El Agua.

Así, a -7o ºC, por ejemplo, será hielo. A 30 °C será agua y a 120 °C será vapor de agua.

Observando que a baja temperatura el estado es sólido y a medida que se eleva pasa a líquido y a gaseoso.

Esta regla va a ser así independientemente del cuerpo del que se hable.

Además ocurrirá también que a baja temperatura las moléculas que componen el cuerpo están más juntas, mientras que cuanta más alta sea, más dispersas están.

El ejemplo más claro es también el agua. Un volumen de hielo pesa más que el mismo volumen de vapor de agua.

Esta última característica será importante cuando hablemos de la distribución del aire acondicionado, porque ¿Qué pesa más, el aire frío o el aire caliente? Siguiendo la explicación anterior, el aire frío, ya que en el mismo volumen hay más moléculas.

aire frio y caliente

Volviendo a los estados de la materia, el siguiente cuadro nos muestra cómo se llama a los diferentes cambios de estado.

Estado InicialEstado FinalNombre del Proceso
SólidoLíquidoFusión
LíquidoGaseosoEvaporación
GaseosoLíquidoCondensación
LíquidoSólidoSolidificación
SólidoGaseosoSublimación

De los cinco posibles, nos interesan los dos señalados:

  • Evaporación: paso de líquido a gaseoso
  • Condensación: paso de gaseoso a líquido

Estos procesos son muy habituales en la vida cotidiana.

Para una mejor comprensión de los fenómenos físicos en los cambios de estado vamos a fijarnos en el agua.

entalpia

Para estudiar el gráfico partimos de un bloque de hielo de un kilo sobre un recipiente a -20 °C, aportando 20 kcal llevamos ese bloque de hielo a una temperatura de 0 °C, si seguimos aportando calor observamos que ahora no sube la temperatura, sino que se produce un cambio de estado, todo el calor que estamos aportando se emplea en fundir el hielo y tiene un valor de 80 kcal; ahora para llevar este litro de agua a 0 °C hasta 100 °C se necesitan 100 kcal; en este punto si aportamos más calor se produce otro cambio de estado, la evaporación del agua y vemos que para pasar agua a 100 °C a vapor de agua a la misma temperatura necesitamos aportar 380 kcal. Si continuamos dando calor, subirá de temperatura del vapor de agua. Este proceso es reversible quitando calor.

Sacamos en conclusión lo siguiente

Utilizamos el aporte de calor para dos cosas; para subir de temperatura y para cambiar de estado, es decir tenemos dos clases distintas de calor.

Si quisiéramos volver a convertir el vapor del recipiente nuevamente en agua, tendremos que quitarle el calor al recipiente, enfriándolo, de manera que comience a condensarse, recuperando de esta forma el litro de agua que teníamos en un principio. Una manera sencilla de lograrlo es colocar el recipiente cerrado en la calle, al aire libre. En este caso lo que ocurre es que el recipiente (mayor temperatura) se enfría, y pasado un tiempo tendremos nuevamente agua en el recipiente.

Pues bien, estos dos procesos (evaporación y condensación) que tiene lugar con el agua, ocurren exactamente igual en una cámara frigorífica a diferencia de que la cámara no utiliza agua sino un fluido (que llamaremos refrigerante) que posee la característica fundamental de evaporarse a temperaturas muy bajas del orden de -38 a -41 °C. Supongamos por un momento que este fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente cerrado en el interior de la cámara donde tenemos aire a – 20 °C.

Entonces ocurrirá que el líquido contenido en el recipiente (que vamos a llamar evaporador) comienza a absorber calor del aire interior de la cámara evaporándose a una baja temperatura (dependerá de la presión que tenga el recipiente en su interior). Por tanto al robar calor del interior de la cámara este a su vez comienza a bajar su temperatura y como en el ejemplo del agua que al evaporarse mantenía su temperatura constante a 100 °C, en este caso, ocurre lo mismo. Pero supongamos que el fluido en el interior del recipiente se encuentra a una presión tal que se evapora a -10 °C, entonces el líquido del recipiente roba calor y se evapora manteniendo una temperatura constante (cambio de estado) de -10 °C por el interior del recipiente.

Una vez que todo el líquido pasa a vapor, el calor que roba es muy poco. Lo ideal por tanto, es tener líquido en el recipiente y que este poco a poco se evapore.

Pero, para volver a convertir en líquido éste gas, que ha cumplido su misión, lo tendremos que volver a licuar (condensar). Para que esto ocurra, hay que bajar su temperatura, cosa muy difícil ya que el gas se encuentra a la temperatura interna de la cámara (unos 3 °C) y no tenemos ningún medio natural de poder enfriarlo y que se condense.

Una solución sería poder aumentarlo de temperatura y como este fluido tiene la particularidad de que si lo aumento de presión aumenta de temperatura (como todos los gases), lo que haremos será elevar su presión utilizando para ello una especie de bomba que llamaremos compresor y que necesita corriente eléctrica para su funcionamiento.

El compresor aspira por un lado el gas que se ha producido dentro del recipiente-evaporador en el interior de la cámara y le aumenta de presión logrando que el gas pase de 3°C a 45 0 ó 50 °C. Si este gas caliente lo introducimos de nuevo en otro recipiente cerrado (que llamaremos condensador), situado en la parte exterior de la cámara como el aire que le rodea se puede encontrar entre 25 y 30 °C conseguiremos que el gas que está dentro del recipiente-condensador (45 ó 50 °C), ceda calor al aire ambiente (25 ó 30 °C), obteniendo de esta manera nuevamente líquido en este recipiente a unos 35 °C.

Finalmente para reutilizar este líquido necesitaremos extraerlo del recipiente y bajarlo de temperatura (nuevamente a los -10 °C). Para ello le bajamos la presión por lo que a su vez baja de temperatura hasta conseguir los -10 °C. Una manera de poder realizar esta operación sería sacar el líquido del condensador e introducirlo por una tubería muy fina de forma que aumente de velocidad y roce más con las paredes interiores de la tubería fina. Si en el otro extremo de este tubo colocamos otro de un diámetro mayor, el líquido irá frenándose a lo largo del tubo fino y cuando llega al de mayor diámetro, es como si se desinflase provocándole una caída de presión y con ello una disminución de temperatura, es por ello que muchos arcones frigoríficos llevan un tubo muy fino llamado capilar,

Todo este proceso se conoce como CICLO FRIGORÍFICO.

2 Comentarios

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    Saludos

  • Muy entusiasmado por la información me sirve de mucho para conocer mas los principios fundamentales de su aplicación.

    Saludos