Frio, Técnica Del FÍS.

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Física

1. Generalidades. El logro de temperaturas inferiores a la ambiente ha sido una aspiración constante de la investigación técnica y científica en los últimos cien años. Entendemos vulgarmente por frío, como palabra contrapuesta a calor (v.), la sensación (muchas veces incómoda) asociada a las temperaturas inferiores a la del cuerpo humano. Sin embargo, las ventajas de todo orden que ha supuesto el poder mantener temperaturas bajas durante tiempo ilimitado y en recinto de cualquier tamaño, ha hecho que este término alcance significado más preciso en el campo científico y técnico, haciéndose sinónimo de temperaturas bajas, normalmente desde 0° C hasta unos -200° C, es decir, desde la temperatura de solidificación del agua hasta la de licuefacción del aire. Por debajo de este último límite de temperaturas se entra de lleno en la criogenia. Las técnicas del frío o de refrigeración abarcan, pues, los diversos procedimientos de producir y mantener dichas temperaturas bajas para su aplicación industrial, que incluye desde el simple confort doméstico (neveras, refrigeradores y acondicionadores de aire) hasta la separación del oxígeno y nitrógeno del aire (fabricación de amoniaco, abonos, oxígeno industrial) por destilación del aire líquido, pasando por la fabricación de hielo y la conservación y transporte de alimentos en grandes cantidades y por su aplicación en ciertas industrias químicas y farmacéuticas (control de reacciones, liofilización, etc.).

Para la obtención de bajas temperaturas se utiliza normalmente un ciclo de refrigeración en el que juega un papel fundamental el refrigerante, sustancia encargada de retirar energía térmica (calor) del recinto a enfriar cediéndola normalmente después a la atmósfera o a un circuito de refrigeración secundario, frecuentemente con agua como refrigerante. Después de analizar el ciclo térmico fundamental y los posibles refrigerantes, pasaremos a describir algunos de los componentes más importantes del equipo de un refrigerador.

En todos los ciclos de refrigeración el refrigerante almacena energía térmica no sólo como calor "sensible", es decir, con aumento apreciable de temperatura, sino también, y en mucha mayor proporción, como calor "latente", es decir, asociado a un cambio de estado (líquido-vapor, normalmente). Un caso particular de cierto interés técnico consiste en el enfriamiento de un líquido volátil por su evaporación acelerada mediante un fuerte arrastre del vapor en su superficie, bien por ventilación o por vacío parcial. Así se justifica la sensación de frío producida al evaporarse sobre la piel el agua, alcohol o éter. En la evaporación natural o forzada empiezan a pasar al estado de vapor las moléculas de líquido más energéticas y, por tanto, la energía media y la temperatura del líquido restante va disminuyendo, a no ser que desde el exterior se suministre al líquido la energía necesaria para compensar las pérdidas (entonces no variará la temperatura y la transformación se denomina isoterma). Todos los líquidos se evaporan en mayor o menor grado, siendo este cambio de estado un fenómeno en la superficie del líquido. El cambio de estado contrario, condensación, exige eliminar energía térmica de un vapor haciéndolo pasar a líquido. Si el líquido está en contacto con su vapor, llegará a establecerse un equilibrio y en ese momento la cantidad de líquido que se evapora por segundo coincide con la cantidad de vapor que en el mismo tiempo pasa a líquido. Este equilibrio queda caracterizado a cada temperatura por la presión de vapor en equilibrio con el líquido. Al aumentar la temperatura, crece la presión de equilibrio del vapor y cuando esta presión llega a ser igual a la exterior a líquido, éste empieza a hervir. La ebullición es una vaporización en todo el seno del líquido acompañada de un burbujeo característico. La temperatura de ebullición crece, pues, al aumentar la presión exterior y recíprocamente. Así, p. ej., el agua hierve a 100° C a la presión de 1 atm., mientras que hierve a 152° C a la presión de 5 atm. y a 60° C a la presión de 1/5 de atm. Por tanto, si se pone en contacto un recipiente a 80° C a través de una pared diaterma (que permite el paso del calor, en contraposición de aislante o adiabática) con agua a 0,2 atm., ésta hierve a 60° C absorbiendo calor del recipiente en cuestión, con lo que éste se enfría, si se mantiene por lo demás convenientemente aislado. La refrigeración se basa en esta propiedad del proceso de vaporización y en el hecho de que los líquidos pueden hervir en un amplio margen de temperaturas cambiando simplemente la presión que se ejerce sobre ellos. La curva de presión-temperatura, cuyos puntos indican la temperatura y presión de equilibrio del líquido-vapor son fundamentales en los procesos de refrigeración, junto con el conocimiento del calor latente (o mejor, diferencia de entalpías (v.) específicas líquido-vapor) del cambio de estado, que es también función de la temperatura y su calor específico a las temperaturas de funcionamiento (v. ESTADOS DE LA MATERIA V).

2. Unidades de capacidad de refrigeración. La unidad internacional es la frigoría, que equivale exactamente a la absorción de 1 cal., o sea, 4,18 jul. Sin embargo, se utiliza también, sobre todo en los países anglosajones, la tonelada de refrigeración, ton, como el equivalente a la cantidad de calor que se necesita absorber para fundir a 0° C una tonelada inglesa de hielo (2.000 libras=908 kg.). Como la fusión de un gramo de hielo a 0° C exige 80 cal. aproximadamente, la ton es equivalente a 72,6.106 frigorías.

3. Ciclos de refrigeración. El ciclo básico es el de Carnot inverso con cambio de estado (ciclo abdg en las fig. la, b y c con representación en los diagramas de presión-volumen, p-V, temperatura-entropía, T-S, y presión-entalpía, p-h). En el foco frío (evaporador) a temperatura T2 se absorbe en un proceso isotermo bd una cantidad de calor Q2, cediéndose el foco caliente (condensador) isotérmicamente a la temperatura TI, ga, una cantidad total de calor

Q1=Q2+W,

siendo W el trabajo consumido en el ciclo. En la etapa dg se comprime adiabáticamente la mezcla vapor-líquido fríos, representada por el punto d a presión p2, mediante un compresor que realiza el trabajo W hasta alcanzar la presión p, del condensador, en donde el vapor pasa paulatinamente a líquido (ga). La caída de presión ab se produce en el ciclo teórico de Carnot isoentrópicamente, mientras que en la realidad lo normal es obtenerla isoentálpicamente en una válvula de expansión, ac, donde además el líquido se vaporiza parcialmente, terminándose la vaporización en el evaporador durante la etapa cd.

El coeficiente de amplificación frigorífica o rendimiento de una máquina frigorífica es igual al cociente Q2/W, que puede ser mayor que la unidad. En un ciclo de Carnot inverso este coeficiente es igual a

T2/(T1-T2).

En la práctica, los ciclos de refrigeración discrepan del de Carnot en dos aspectos fundamentales. En primer lugar, la compresión se verifica en la región de sobrecalentamiento, el, pues resulta prácticamente imposible que la evaporación cese en el punto d y, además, la presencia de fase líquida en el compresor crearía problemas de corrosión. Por otra parte, el líquido condensado se somete a un subenfriamiento (etapa aa’) antes de pasar a la válvula de expansión, a ’b’. Ambos hechos incrementan el efecto refrigerador, pues en definitiva aumentan el calor absorbido en el evaporador. En este ciclo real el coeficiente frigorífico es igual a

(he-hb’)/(hf - he).

En ciertos ciclos de mayor rendimiento, el proceso de expansión se lleva a cabo realizando un trabajo de expansión en lugar de la expansión isoentálpica o de fouleKelvin. Y si es necesario puede mejorarse también el rendimiento utilizando un dispositivo de compresión en dos o más etapas con refrigeraciones intermedias.

4. Equipo de refrigeración. El equipo esencial del circuito de refrigeración se muestra en la fig. 2, donde se observan las partes en que el refrigerante trabaja a b ja presión y aquellas en que lo hace a presión alta y coi. el cual vamos a repetir el ciclo frigorífico real. En la línea o tubería de aspiración, el compresor recoge el vapor del refrigerante a baja presión, eleva su presión y lo calienta, al realizar sobre el mismo el trabajo de compresión. El vapor caliente y a presión elevada pasa por el condensador en el que cede calor, bien a la atmósfera o bien a un circuito secundario de refrigeración por agua, condensándose a líquido que se almacena en el depósito de líquido a alta presión. El vapor en esta zona tiene alta presión y temperatura intermedia. Este vapor ha de enfriarse después para actuar en el foco frío y este enfriamiento puede sufrirlo esencialmente mediante dos procesos: por una expansión isoentálpica en donde pasa a líquido frío y a baja presión o bien realizando un trabajo adiabático sobre un émbolo. En este último caso, además de enfriarse el vapor puede aprovecharse dit;ho trabajo, mejorándose así el rendimiento global del ciclo. El líquido muy frío y a baja presión recibe calor en el foco frío, con lo que se evapora a baja presión y, finalmente, el vapor es aspirado de nuevo por el compresor repitiéndose así el ciclo. A continuación se describen los elementos necesarios en un refrigerador.

Refrigerantes. Durante el desarrollo de las técnicas de la refrigeración se han utilizado muchas sustancias químicas fluidas como refrigerantes. Los primeros ensayos se hicieron con cloroformo, éter, aire, propano y butano. Pero los que se han empleado con mayor eficacia han sido el amoniaco, el cloruro de metilo, el dióxido de carbono y el anhídrido sulfuroso. El amoniaco se emplea aún bastante en la fabricación de hielo y en grandes almacenes frigoríficos. Tiene la desventaja de ser irritante a los ojos y mucosas. El dióxido de carbono es entre todos los mencionados el único inerte y no corrosivo, pero estas ventajas se contrapesan, sin embargo, por sus elevadas presiones de funcionamiento (70 y 20 atm. en las zonas de alta y baja presión, respectivamente) en comparación, p. ej., con el amoniaco (7 y 2, respectivamente), lo cual exige un equipo mucho más robusto y pesado. El freón-12 (CC12F2) junto con el freón-22 (CHC1F2) son los derivados halogenados más importantes utilizados como refrigerantes en fechas relativamente recientes y funcionan incluso a presiones más bajas. Estos refrigerantes no son corrosivos, ni inflamables, ni tóxicos, no explotan y carecen de color y olor. El freón-12 y 22 se utilizan con compresores alternativos, mientras que el freón-11 se utiliza con compresores centrífugos que exigen un refrigerante de muy baja presión.

Compresores.’El compresor es la máquina utilizada para recoger el vapor procedente del evaporador, comprimiéndolo hasta la presión de condensación y enviándolo después al condensador. Es, pues, una simple bomba que comprime el refrigerante. Los compresores pueden ser alternativos, rotativos y centrífugos. Los últimos se utilizan en grandes sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire, pero son más frecuentes los rotativos, empleados casi exclusivamente en refrigeradores domésticos o en enfriadores de agua, y los alternativos, que permiten una mayor potencia en el refrigerador. Todos ellos suelen accionarse mediante motores eléctricos, aunque también se utilizan los motores de gasolina o diesel. Los compresores pequeños suelen combinarse con el motor en un montaje hermético que, además de evitar las pérdidas del vapor refrigerante, suprime la interconexión entre el motor y el compresor, pues poseen un eje común. La fig. 3 muestra el ciclo de funcionamiento con un motor rota,ivo. La pieza móvil M gira excéntricamente haciendo variar en forma inversa el volumen de la cámara de aspiración A y el de la cámara de compresión C. El tabique móvil separa ambas cámaras, mientras que se ponen en comunicación por la derecha cuando M está en su posición extrema hacia la izquierda.

Condensadores. La evacuación del calor absorbido por la instalación (suma del extraído en el foco frío o evaporador más el equivalente al trabajo realizado por el compresor) se efectúa en condensadores enfriados por agua o por aire, transformándose entonces el vapor refrigerante a alta presión en líquido. La temperatura a que llegue el vapor debe ser la correspondiente a la de condensación a la presión producida por el condensador. Los condensadores enfriados por aire suelen utilizarse en los refrigeradores domésticos, favoreciéndose el enfriamiento mediante aletas, ya que el aire circula a su través por convección natural. En equipos de mayor potencia la ventilación es forzada o bien se emplea agua. Los condensadores en este último caso pueden ser: de doble tubo, de una o más camisas de tamaño grande con varios pasos de agua, etc.

Evaporadores. En el evaporador, constituido normalmente por un simple serpentín, se hace entrar refrigerante líquido a baja presión, permitiéndosele que evapore o hierva con el calor que extrae del medio ambiente que le rodea o del líquido (agua o salmuera) en que está inmerso. En general existen dos tipos de evaporadores: secos e inundados. El interior de un evaporador seco está siempre lleno con una mezcla de refrigerante líquido y vapor. En la parte de entrada del evaporador existe una mayor proporción de líquido. Cuando el refrigerante recorre el serpentín se va vaporizando el líquido cada vez en mayor cantidad y en el extremo de salida prácticamente sólo hay vapor. En el segundo tipo de evaporadores se mantiene constante el nivel del refrigerante mediante una válvula adecuada, que sólo admite la cantidad de líquido necesaria para compensar la evaporación. En vez de serpentín se utiliza también, sobre todo en los refrigeradores domésticos, una doble chapa soldada que permite el paso del refrigerante entre unos canales que quedan libres. Con frecuencia estas chapas forman el propio recinto a enfriar (congelador de los refrigeradores).

Válvula de expansión. En los sistemas de refrigeración, el control del refrigerante que procede de la parte de alta presión y debe entrar en el evaporador es una operación muy importante. Esta función la realiza una válvula de expansión que puede controlarse por temperatura, por presión o por una combinación de ambos factores. Normalmente, es una válvula de aguja con un sistema de muelles que contrarresta la presión del refrigerante, o bien un termostato que regula la posición de la aguja. En algunos casos de sistemas de refrigeración de poca potencia y costo puede utilizarse en lugar de válvula un simple tubo capilar.

Aislantes. Los recintos a refrigerar deben estar aislados para reducir en lo posible las entradas de calor a través de sus paredes, calor que tendría que evacuar el propio equipo de refrigeración. Un buen aislamiento hace disminuir, por tanto, la potencia necesaria en dicho equipo. Inicialmente se empleaba, casi exclusivamente, el corcho, pero la existencia industrial de aislantes sintéticos de tipo poroso o alveolar ha supuesto una gran mejora en este importante campo, reduciéndose el espesor y peso del aislante que se necesita para un aislamiento dado.

Otros elementos. En los equipos que trabajan por debajo de 0° C se suele acumular hielo en el evaporador, formando una capa que, por ser mala conductora del calor, dificulta el buen funcionamiento del equipo. En algunos casos basta detener manualmente el refrigerador, pero existen varios tipos de descongeladores automáticos. Unos utilizan el calor producido por elementos calefactores eléctricos o por el del propio condensador, mientras que en equipos más grandes puede utilizarse agua en forma de lluvia o incluso gases calientes.

Existen además toda una serie de elementos accesorios entre los que destacan los termostatos, que regulan la temperatura del evaporador actuando sobre el motor del compresor en los refrigeradores domésticos o sobre la válvula de expansión, etc.

5. Sistemas de refrigeración por absorción. Es posible mantener la diferencia de presión necesaria entre el condensador y el evaporador sin necesidad de un compresor. Este tipo de refrigerador carece en algunos casos de motor y mantiene dicha diferencia de presiones utilizando un refrigerante que es más soluble en un absorbente frío que en caliente, como sucede con el amoniaco cuando se disuelve en agua. La fig. 4 muestra un esquema de este método en donde se ha sustituido el compresor de la fig. 2 por una cámara de absorción, una bomba y un generador. Al salir del evaporador el amoniaco pasa por una cámara de absorción donde se disuelve en agua fría, concentrándose el líquido en amoniaco y siendo enviado por la bomba al generador. Debido a su mayor temperatura se desprende en él amoniaco, que va al condensador, mientras la disolución diluida de amoniaco vuelve a la cámara. En el mercado existen diversos aparatos de refrigeración por absorción que emplean distintos tipos de refrigerante y absorbente, entre los que podemos citar el amoniaco-agua, agua-bromuro de litio y cloruro de metileno-disolución de alcohol metílico o tetraetilenglicol.

Ciertos aparatos domésticos utilizan este sistema, pero sustituyendo la bomba mecánica por otro tipo de bomba de succión, que funciona de modo parecido a la del tubo de un filtro de cafetera (modelo electrolux). En-este caso, la circulación del fluido se mantiene con un calentador, bien eléctrico o de gas, sin que en este último caso sea necesario conectarlo a la red eléctrica. El papel de válvula lo realiza normalmente un circuito auxiliar de hidrógeno que hace disminuir la presión parcial del amoniaco.

6. Refrigeradores termoeléctricos. También pueden utilizarse otros métodos de refrigeración. Con los avances realizados en la física de semiconductores se han obtenido pares termoeléctricos muy eficaces, con los que es posible obtener un calentamiento o enfriamiento local de bastante rendimiento utilizando el efecto Peltier reversible. Si se hace pasar una corriente eléctrica de intensidad i a través de una soldadura de metales diferentes se produce un desprendimiento o absorción de calor en la misma (según el sentido de la corriente), que es proporcional a i. Este efecto se incrementa si uno de los dos materiales a emplear es un semiconductor tipo p o n apropiado. Mediante la combinación alternada de semiconductores p y n se obtienen módulos de refrigeración compactos y sin necesidad de elementos mecánicos susceptibles de averías (fig. 5).

Bomba de calor. Finalmente, como método moderno para enfriar y calentar (aunque ya propuesto por Lord Kelvin en 1852) citemos la bomba de calor. Como hemos visto, un refrigerador es en cierto modo una bomba de calor que traslada calor de su interior, liberándolo en el exterior. La única diferencia entre el refrigerador citado y una bomba térmica es que ésta puede invertir la transferencia de calor. Mediante aportación de energía al compresor, la bomba calienta o enfría automáticamente. Si se emplea como dispositivo doble de calefacción-refrigeración, p. ej., en invierno, el equipo extrae calor del aire exterior (sin importar cuál sea su temperatura) y lo cede al interior a temperatura convenientemente alta. Para enfriar en verano, este ciclo se invierte simplemente (fig. 6), de modo que el equipo elimina calor del interior del local y lo cede al exterior, como un verdadero equipo de refrigeración que es.

V. t.: CALOR; TEMPERATURA; ESTADOS DE LA MATERIA V; CRIOFíSICA.

J. DE LA RUBIA PACHECO.

BIBL.: Carrier Air Conditioning Company, Handbook of air conditioning system design, Nueva York 1965; J. AGUILAR, Termodinámica y Mecánica estadística, Valencia 1969; F. H. CRAWFORD y W. D. VAN VORST, Thermodynamics for engineers, Nueva York 1968; Harcourt, Brace and World (1968); W. H. CARRIER, R, E. CHERNE y W. A. GRANT, Tratado moderno de acondicionamiento de aire, calefacción y refrigeración, Barcelona 1957.