Funcionamiento Detallado de los Circuitos Frigoríficos y sus Componentes

Principio de Funcionamiento de los Circuitos Frigoríficos

La refrigeración consiste, básicamente, en conseguir mantener un determinado objeto o lugar a una temperatura inferior a la del entorno que los rodea. Como ya has visto en las leyes de la termodinámica, el calor no se transfiere de forma espontánea de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. Para lograrlo, se requiere un sistema o máquina frigorífica.

A) Máquina Frigorífica: Ciclo Termodinámico de Carnot

Una máquina frigorífica opera según un ciclo termodinámico, como el ciclo ideal de Carnot inverso. Su funcionamiento siempre depende de una energía exterior. Este ciclo puede realizarse extrayendo el calor del foco frío (el espacio a refrigerar) y cediéndolo al foco caliente (el entorno), o viceversa si opera como bomba de calor.

El ciclo completo idealizado es:

• Proceso 1-2: Compresión adiabática desde T_f = T₁ = T₄ (la temperatura inferior).
• Proceso 2-3: Compresión isoterma del gas; se mantiene constante T_c = T₂ = T₃, mientras cede calor, Q_c, al foco caliente. La razón de este proceso es que, como sabemos, el calor fluye de donde hay más temperatura a donde hay menos. Con la compresión, hemos elevado la temperatura del fluido de trabajo por encima de la del foco caliente, permitiendo la cesión de calor.
• Proceso 3-4: Expansión adiabática.
• Proceso 4-1: Expansión isoterma, absorbiendo calor Q_f del foco frío.

Cuanto menor es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío, mayor es la eficiencia. (Lo contrario que sucedía con el rendimiento cuando la máquina de Carnot se estudió como motor).

A la eficiencia de una máquina frigorífica también se le denomina Coeficiente de Operación (COP).

Tipos de Sistemas de Refrigeración

Fundamentalmente, hay dos tipos de sistemas de refrigeración:

• Sistemas de Compresión de Vapor: El refrigerante se vaporiza y condensa alternativamente en los distintos elementos del circuito. Son los más comunes.
• Sistemas de Gas: Utilizan un gas que no cambia de fase durante el ciclo.

Fluidos Refrigerantes

Un fluido refrigerante debe tener, entre otras, las siguientes características:

• Presión de evaporación alta, preferiblemente de valor mayor que la atmosférica.
• Calor latente de vaporización lo más alto posible.
• Calor específico en estado líquido muy pequeño.
• No debe reaccionar químicamente en los procesos de refrigeración con el agua o el aire de la instalación ni ser corrosivo.
• El intercambio de calor tolerado por unidad de masa debe ser muy alto, de forma que los intercambiadores tengan una sección reducida.
• Ser seguro (no tóxico, no inflamable) y respetuoso con el medio ambiente.

El Protocolo de Montreal y enmiendas posteriores establecen la eliminación progresiva de sustancias que agotan la capa de ozono, como los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), que contenían cloro.

B) Componentes de una Instalación Frigorífica Típica (Compresión de Vapor)

En un circuito común de compresión de vapor hay cuatro componentes principales:

• Compresor: Elemento mecánico que aspira los vapores fríos a baja presión provenientes del evaporador y los descarga comprimidos a mayor presión y temperatura hacia el condensador. Es el corazón del sistema y consume la mayor parte de la energía eléctrica.
• Condensador: Es un intercambiador de calor donde el refrigerante, a alta presión y temperatura, cede calor al medio ambiente exterior (aire o agua), condensándose y pasando de estado gaseoso a líquido. En la práctica, lo podemos ver en los serpentines que hay detrás de muchos frigoríficos domésticos o en unidades exteriores de aire acondicionado. Pueden ser enfriados por aire o por agua.
• Válvula de Expansión (o Estrangulación): Dispositivo que reduce drásticamente la presión y la temperatura del refrigerante líquido proveniente del condensador antes de entrar al evaporador. Conecta los lados de alta y baja presión del circuito. Sustituye a la turbina de expansión del ciclo teórico de Carnot inverso, ya que el objetivo no es producir trabajo y resulta más simple y económico.
• Evaporador: Otro intercambiador de calor. Aquí, el refrigerante a baja presión y temperatura absorbe calor del ambiente que se desea enfriar (el interior del frigorífico, una habitación, etc.). Al absorber calor, el refrigerante se evapora, pasando de líquido a gas a presión y temperatura constantes (aproximadamente).

C) Sistemas de Refrigeración por Gas

Aunque industrialmente se prefieren los sistemas de compresión de vapor por su mayor eficiencia en muchas aplicaciones, los ciclos de gas también existen. En estos, el fluido de trabajo permanece en estado gaseoso durante todo el ciclo.

Una disposición para este ciclo podría ser (Ciclo Brayton inverso):

• De 1 a 2: Compresión adiabática.
• De 2 a 3: Enfriamiento isobárico (cesión de calor al foco caliente).
• De 3 a 4: Expansión adiabática (en una turbina, produce un trabajo que es aprovechable, por ejemplo, para ayudar a mover el compresor o un ventilador).
• De 4 a 1: Calentamiento isobárico (absorción de calor del foco frío).

D) Aplicaciones de la Refrigeración

Los ciclos de refrigeración se usan para producir frío o, dicho de otro modo, mantener bajas temperaturas. Algunas aplicaciones importantes son:

• Conservación de alimentos: Carnes, vegetales, pescados, lácteos, etc. Fue uno de los primeros usos masivos.
• Acondicionamiento de aire: Para el confort humano en edificios y vehículos.
• Procesos industriales: Enfriamiento de maquinaria, licuefacción de gases, etc.
• Medicina: Conservación de medicamentos, vacunas, plasma sanguíneo, criocirugía.
• Refrigeración comercial: Supermercados, restaurantes.
• Transporte refrigerado.