Fundamentos y Componentes Clave en Sistemas de Refrigeración y Térmicos

Instalaciones Frigoríficas de Absorción

Las instalaciones frigoríficas de absorción producen frío sin usar un compresor, a diferencia de los sistemas mecánicos, sino mediante una reacción química entre un gas y un líquido. Su funcionamiento se basa en la capacidad de un gas para disolverse fácilmente en un líquido a baja temperatura y liberarse al calentarse. Esto permite generar frío utilizando únicamente una fuente de calor (como gas, vapor o energía solar).

Funcionamiento Básico de los Sistemas de Absorción

1. En el generador se calienta una mezcla de líquido absorbente y refrigerante. Al calentarse, ambos se evaporan, pero se separan en una columna de destilación.
2. El vapor del refrigerante se enfría en el condensador y se convierte en líquido.
3. Este líquido pasa por una válvula de expansión al evaporador, donde se vaporiza al absorber calor, generando el efecto frigorífico.
4. El vapor de refrigerante entra en el absorbedor, donde es absorbido por el líquido absorbente. Esta reacción desprende calor, que se elimina mediante agua de refrigeración.
5. La mezcla resultante se bombea de nuevo al generador para repetir el ciclo.

Para optimizar la eficiencia, se incorpora un intercambiador de calor que recupera energía entre la mezcla caliente que sale del generador y la mezcla fría que entra desde el absorbedor.

Mezclas Refrigerantes Comunes

• Amoniaco y agua: para temperaturas bajo 0 ºC.
• Bromuro de litio y agua: para temperaturas superiores a 0 ºC.

Si, en lugar de un líquido, se emplea un material poroso que retiene el gas en su superficie, el sistema se denomina de **adsorción**. A diferencia de la absorción, este opera mediante ciclos alternos de calentamiento y enfriamiento, no de forma continua.

Recalentamiento del Vapor en Sistemas Frigoríficos

En los ciclos de refrigeración, idealmente se busca que el vapor llegue al compresor en estado saturado (es decir, sin líquido ni sobrecalentamiento). Sin embargo, en la práctica, es común que el vapor se recaliente al absorber calor adicional después de abandonar el evaporador. Este recalentamiento incrementa el trabajo del compresor, la temperatura del vapor a la salida y la carga térmica que debe disiparse en el condensador, lo que se traduce en un mayor consumo energético y una reducción de la eficiencia del sistema.

El vapor recalentado posee un volumen específico mayor que el vapor saturado, lo que exige al compresor manejar un caudal de gas superior. Esta situación puede implicar un sobredimensionamiento del compresor, su motor y el condensador, elevando los costes iniciales de la instalación.

A pesar de estas desventajas, un recalentamiento moderado ofrece beneficios clave: previene la entrada de vapor húmedo (con gotas de líquido) al compresor, lo cual podría causar daños graves. El impacto del recalentamiento varía según su ubicación y la utilidad del calor absorbido para la refrigeración.

Ubicación del Recalentamiento

1. Al final del evaporador.
2. En la tubería de aspiración dentro del recinto refrigerado.
3. En la tubería de aspiración fuera del recinto refrigerado.
4. En un intercambiador de calor entre la tubería de líquido y la de aspiración.

Cuando el recalentamiento se produce fuera del espacio refrigerado, el calor absorbido no contribuye a la refrigeración útil y disminuye la eficiencia del sistema. Para mitigar este efecto, es fundamental un buen aislamiento de la tubería de aspiración. Por el contrario, si el recalentamiento tiene lugar dentro del espacio refrigerado (por ejemplo, en la sección final del evaporador o en un serpentín secador adicional), el calor absorbido sí contribuye al enfriamiento, lo que puede mejorar la eficiencia del sistema. No obstante, un recalentamiento excesivo dentro del evaporador puede reducir su capacidad útil, exigiendo operar a temperaturas más bajas o utilizar un evaporador de mayor tamaño.

En resumen, se persigue un recalentamiento controlado: el mínimo necesario para evitar la entrada de líquido al compresor y asegurar el correcto funcionamiento de la válvula de expansión, pero sin excederse para no comprometer la eficiencia o capacidad del sistema.

Subenfriamiento del Líquido Refrigerante

El **subenfriamiento del líquido refrigerante** consiste en enfriar el refrigerante líquido por debajo de su temperatura de condensación antes de que alcance la válvula de expansión. Este proceso incrementa el efecto frigorífico por cada kilogramo de refrigerante, mejorando significativamente el rendimiento del sistema.

Gracias al subenfriamiento, se requiere una menor cantidad de refrigerante para alcanzar la misma capacidad frigorífica, lo que reduce el volumen de vapor que el compresor debe manejar y, por ende, su caudal de trabajo. Dado que el trabajo específico del compresor (por kilogramo de refrigerante) no se altera, el sistema logra una mayor eficiencia sin incrementar el consumo energético. Este proceso puede implementarse en diversos puntos del sistema: dentro del recipiente de líquido, en la tubería de líquido, o a través de intercambiadores de calor específicos. Aunque la instalación de un subenfriador puede implicar un coste inicial adicional, este suele compensarse rápidamente por el aumento de eficiencia, especialmente en instalaciones de baja temperatura.

Métodos de Subenfriamiento con Agua

1. En serie con el condensador: el agua primero enfría el líquido refrigerante y luego entra en el condensador. Sin embargo, al calentarse en el subenfriador, llega más caliente al condensador, lo que puede aumentar ligeramente la temperatura de condensación y reducir algo la eficiencia.
2. En paralelo con el condensador: el agua del condensador no se ve afectada por el subenfriador, por lo que se mantiene la eficiencia de la condensación.

En ambos escenarios, podría ser necesario sobredimensionar la bomba de circulación de agua. En sistemas con condensación por aire, el subenfriamiento se realiza habitualmente dentro del propio condensador.

Otra alternativa es emplear un intercambiador de calor entre el líquido subenfriado y el vapor de aspiración. De esta forma, se logra subenfriar el líquido y recalentar el vapor simultáneamente. Este método presenta ventajas y desventajas: el incremento de rendimiento derivado del enfriamiento del líquido puede verse parcialmente contrarrestado por la pérdida de eficiencia causada por el recalentamiento del vapor. Considerando que en la práctica siempre se produce cierto grado de recalentamiento en el compresor, aprovechar este calor para enfriar el líquido es una estrategia eficaz para optimizar el sistema.

Pérdidas de Presión en el Ciclo Frigorífico

Durante su recorrido por el sistema frigorífico, el refrigerante experimenta **pérdidas de presión** (o caídas de carga) debido a la fricción en tuberías, el evaporador, el condensador, válvulas y otros componentes. Estas pérdidas impactan directamente en el rendimiento del sistema.

Una caída de presión en el evaporador provoca que el vapor salga a una presión y temperatura más bajas, lo que a su vez incrementa su volumen específico. Esta situación obliga al compresor a manejar un mayor volumen de vapor, consumiendo más energía para comprimirlo hasta la presión de condensación. Como consecuencia, el sistema demanda más potencia para generar la misma capacidad frigorífica, disminuyendo su eficiencia.

Para minimizar estas pérdidas excesivas, tanto el evaporador como la tubería de aspiración deben diseñarse para asegurar una caída de presión mínima. En un evaporador correctamente diseñado, esta pérdida suele oscilar entre 0,14 y 0,21 kg/cm², y en la tubería de aspiración no debería causar una disminución superior a 1°C en la temperatura de saturación.

También se producen pérdidas en el lado de descarga del compresor. Si la presión después del compresor disminuye, el compresor debe alcanzar una presión aún mayor para impulsar el vapor hacia el condensador. Esto incrementa el esfuerzo del compresor y su consumo energético.

Asimismo, entre el recipiente de líquido y la válvula de expansión existen pérdidas de presión, aunque de menor magnitud. Estas no deberían superar los 0,35 kg/cm².

En síntesis, el control de las pérdidas de presión a lo largo de todo el circuito es fundamental para mantener la eficiencia del sistema frigorífico, reducir el consumo energético y evitar el sobredimensionamiento del compresor.

Instalaciones en Cascada

Las **instalaciones en cascada** se emplean para producir frío a temperaturas extremadamente bajas, inalcanzables de forma eficiente con un único circuito de refrigeración. Este sistema se fundamenta en la interconexión térmica de dos o más ciclos frigoríficos simples, mediante un intercambiador de calor. Cada ciclo utiliza un refrigerante distinto, con puntos de ebullición progresivamente más bajos.

El intercambiador funciona como el nexo entre ambos sistemas: el condensador de un circuito actúa como el evaporador del otro. De este modo, el calor liberado al condensar el refrigerante de un circuito se aprovecha para evaporar el refrigerante del siguiente, que opera a una temperatura inferior.

La selección adecuada del refrigerante para cada etapa permite mantener relaciones de compresión óptimas, lo que protege al compresor y mejora la eficiencia global del sistema.

Este tipo de instalación evita presiones extremas (tanto muy bajas como muy altas) que se generarían al intentar alcanzar temperaturas muy frías con un solo ciclo. Por ejemplo, para temperaturas inferiores a -67°C con amoníaco (NH₃), o -87°C con R-134a o R-22, es indispensable recurrir a una instalación en cascada.

Ventajas de las Instalaciones en Cascada

• Mayor eficiencia a temperaturas muy bajas.
• Reducción del esfuerzo para cada compresor.
• Menores problemas con el retorno del aceite lubricante.

Inconvenientes de las Instalaciones en Cascada

• Puede haber un solapamiento de temperaturas entre los refrigerantes en el intercambiador, lo que reduce la eficiencia.
• En caso de fallo, puede haber presiones peligrosamente altas en los condensadores o incluso en el evaporador de baja.

Estas instalaciones se emplean principalmente en aplicaciones industriales que demandan temperaturas muy inferiores a las requeridas para la conservación de productos perecederos.

El Evaporador: Definición, Función y Características

El **evaporador** es un componente esencial de cualquier sistema de refrigeración. Su función principal es absorber calor del espacio o producto a enfriar, transfiriéndolo al refrigerante, que se evapora en su interior. Es el elemento que genera el efecto frigorífico en la instalación.

Este equipo funciona como un intercambiador de calor, donde el refrigerante entra a baja temperatura y presión, proveniente de la válvula de expansión, en forma de vapor húmedo (con una fracción de líquido). Al absorber el calor del ambiente, el refrigerante se evapora completamente hasta convertirse en vapor saturado seco, justo antes de dirigirse al compresor.

El evaporador se sitúa entre la válvula de expansión y la tubería de aspiración del compresor. Aunque es vital para el proceso de refrigeración, su diseño y funcionamiento plantean ciertos desafíos, tales como:

• Elegir el tipo adecuado para cada instalación.
• Ubicarlo correctamente dentro del sistema.
• Evitar la formación de hielo sobre sus tubos, que reduce su eficiencia.
• Prevenir la acumulación de aceite en su interior, que también perjudica su rendimiento.

Características Operativas del Evaporador

• Gran parte de su superficie debe estar en contacto con refrigerante en ebullición o vapor húmedo, lo que mejora la transferencia de calor.
• El vapor debe salir seco al compresor; si no es posible, se usa un separador de líquido.
• La circulación del fluido debe ser rápida y con baja pérdida de presión para mejorar el rendimiento.
• Debe permitir eliminar impurezas y aceite del refrigerante.
• Debe ser hermético y resistente al tipo de refrigerante usado.

Características Constructivas del Evaporador

• Diseño simple, de fácil construcción y funcionamiento.
• Bajo coste.
• Resistencia a la corrosión.

Características Higiénicas y de Mantenimiento del Evaporador

• Fácil acceso para limpieza y desescarche.
• Posibilidad de purgar el aceite acumulado.
• Bajo coste de mantenimiento.

En definitiva, el evaporador es el componente clave que determina el éxito del proceso de refrigeración. Su óptimo funcionamiento depende de un diseño adecuado, un mantenimiento regular y una correcta alimentación de refrigerante.

Clasificación de los Refrigerantes

Según el Artículo 11 del Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas, los refrigerantes deben identificarse por su fórmula química, su nombre químico o, si aplica, por su denominación simbólica numérica. No es suficiente emplear únicamente el nombre comercial.

Nomenclatura Simbólica Numérica de Refrigerantes

Para ello, se establece una **nomenclatura simbólica numérica** basada en la fórmula química del refrigerante. Esta nomenclatura consiste en una serie de cifras que describen la composición molecular del compuesto:

• La primera cifra por la derecha (en compuestos que no contienen bromo) indica el número de átomos de flúor.
• La cifra situada a la izquierda de la anterior representa el número de átomos de hidrógeno más uno.
• A la izquierda de esta, otra cifra señala el número de átomos de carbono menos uno. Si este número es cero, no se escribe.
• Los enlaces restantes de la molécula se completan con átomos de cloro.
• Si la molécula tiene átomos de bromo, se aplica la misma regla anterior y se añade al final una “B” mayúscula seguida del número de átomos de bromo.
• Los compuestos cíclicos se indican como los demás, pero se antepone una “C” mayúscula al número del refrigerante.
• Si hay isómeros (compuestos con misma fórmula pero distinta estructura), el más simétrico (en cuanto a pesos atómicos) se indica sin letra, y el resto se designan con las letras a, b, c, etc., según su grado de asimetría.
• Los compuestos no saturados siguen las mismas reglas, pero se añade un “1” como cuarta cifra desde la derecha.
• Los azeótropos (mezclas definidas de dos o más refrigerantes) se nombran indicando los componentes y, entre paréntesis, el porcentaje en peso de cada uno. También pueden identificarse con un número de la serie 500, asignado de forma arbitraria.

En el caso de los compuestos inorgánicos, el número de refrigerante se obtiene sumando 700 al peso molecular del compuesto. Por ejemplo, el amoníaco (NH₃), cuyo peso molecular es 17, se designa como R-717. Si dos o más compuestos inorgánicos poseen el mismo peso molecular, se distinguen utilizando letras: A, B, C, etc.

Aplicando esta nomenclatura, por ejemplo, el refrigerante R-12 corresponde a una molécula con 1 átomo de carbono, 0 de hidrógeno y 2 de flúor. Dado que el carbono tiene valencia 4, los otros dos enlaces están ocupados por átomos de cloro. La fórmula es, por tanto, CCl₂F₂, y se trata de un CFC (**clorofluorocarbono**), al no contener hidrógeno.

Otro refrigerante ampliamente utilizado es el R-22, cuya fórmula es CHClF₂. Este compuesto sí contiene hidrógeno y, por tanto, es un HCFC (**hidroclorofluorocarbono**). Tanto el R-12 como el R-22 son derivados del metano (CH₄).

Según el Artículo 2 del mismo reglamento, los refrigerantes también se agrupan en tres categorías principales, recogidas en la Tabla 9.2. En la Tabla 9.3 se detallan los efectos fisiológicos de cada tipo de refrigerante, información fundamental para evaluar la seguridad en su uso y manipulación.

Tipos de Refrigerantes Halogenados

Los **refrigerantes halogenados** son compuestos derivados de hidrocarburos en los que uno o más átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos de cloro y/o flúor. Según la proporción y tipo de sustituciones, se dividen en tres grupos principales: los **CFC** (clorofluorocarbonos), que no contienen hidrógeno y están totalmente halogenados; los **HCFC** (hidroclorofluorocarbonos), que aún conservan algún átomo de hidrógeno en su molécula; y los **HFC** (hidrofluorocarbonos), que no contienen cloro, ya que este ha sido sustituido completamente por flúor. La elección de un CFC u otro refrigerante halogenado para una aplicación específica se basa principalmente en tres propiedades clave: la temperatura de ebullición normal, la inflamabilidad y la toxicidad. Se observa que la temperatura de ebullición aumenta cuanto mayor es la proporción de cloro en la molécula, lo cual se relaciona con el incremento de la masa molecular que reduce la volatilidad. En cuanto a la inflamabilidad, esta se incrementa a medida que aumenta el número de átomos de hidrógeno en la composición del compuesto: en general, los compuestos con dos o más átomos de hidrógeno suelen ser inflamables.

Purgadores de Condensado en Sistemas de Vapor

Purgador de Presión Equilibrada (Fuelle)

Los purgadores de presión equilibrada utilizan un elemento termostático, que consiste en un tubo de metal corrugado cerrado en ambos extremos. Este tubo puede alargarse o acortarse con las variaciones de temperatura. En un extremo del tubo se encuentra el obturador de la válvula, que cierra el orificio cuando el tubo se dilata. El otro extremo del tubo está fijo, por lo que cualquier expansión o contracción se transmite al extremo libre, moviendo el obturador. Dentro del tubo, una mezcla hidroalcohólica con un punto de ebullición inferior al del agua. Cuando la temperatura del vapor exterior calienta esta mezcla, se genera una presión interna superior a la del vapor. Esto provoca la dilatación del tubo y el cierre del orificio por parte del obturador, bloqueando la salida del condensado. El purgador permanece cerrado mientras la mezcla se mantiene caliente. Una vez que se enfría, la presión disminuye, el tubo se contrae y el obturador se separa del asiento, permitiendo nuevamente la descarga del condensado.

Purgador de Expansión Líquida

Los purgadores de expansión líquida utilizan un aceite como fluido sensible al calor para controlar la apertura y cierre de la válvula. Al inicio, con la válvula completamente abierta, el aire de la red entra por la entrada y sale por la salida de condensado sin dificultad. Posteriormente, el condensado frío también se descarga sin inconvenientes. A medida que la temperatura del condensado aumenta, calienta el aceite contenido en la cámara (espacio G entre el cilindro y el tubo corrugado). Este aceite, al calentarse, se dilata rápidamente (gracias a su pequeño volumen y gran superficie de transmisión de calor), generando presión sobre un pistón. El pistón empuja el tubo flexible, lo que mueve el eje y acerca el obturador al asiento, reduciendo el paso de condensado hasta dejar solo un pequeño goteo. Si llega vapor en lugar de condensado, la temperatura se eleva aún más, el aceite se expande y cierra completamente la válvula.

Características Destacadas:

• Respuesta rápida del sistema gracias al pequeño volumen de aceite y alta eficiencia térmica.
• La temperatura de descarga se puede ajustar mediante el tornillo de regulación (K).
• Elimina aire automáticamente al inicio de la operación.
• Compatible con vapor recalentado y altas presiones.
• Resistente a golpes de ariete (cambios bruscos de presión).

Purgadores Termodinámicos

• En la puesta en marcha, la presión de entrada eleva el disco y el condensado frío y el aire son descargados inmediatamente (1).
• El condensado caliente circulando a través del purgador genera revaporizado. La alta velocidad crea un área de menor presión debajo del disco y lo acerca al asiento (2).
• Al mismo tiempo se produce un aumento de presión producido por el revaporizado en la cámara sobre el disco que le obliga a cerrar venciendo la presión del condensado hasta que se asienta en el anillo interno y cierra la entrada. El disco también asienta en el anillo externo y mantiene la presión en la cámara (3).
• La presión en la cámara disminuye por la condensación del revaporizado y se eleva el disco. El ciclo se repite.

Puntos de Purga y Separadores de Gotas

Además del agua condensada en forma de película que se forma en las conducciones, el vapor arrastra gotas de agua en una cantidad que depende de su título. Para eliminar estas gotitas, se utiliza un **separador de gotas**.

• Las gotas de agua chocan contra los deflectores interiores cayendo a la parte inferior de donde pasan al purgador.
• Se instalan a intervalos regulares en las tuberías de distribución de vapor y es conveniente su colocación a la entrada de los equipos de calefacción para que reciban el vapor lo más seco posible.

Intercambiadores de Calor: Principios y Tipos

Los cambiadores de calor, también llamados intercambiadores, son dispositivos que permiten transferir energía térmica de un fluido a otro. Esta transferencia se realiza principalmente mediante **conducción** y **convección**, aunque en algunos casos también puede intervenir la **radiación**. Son ampliamente utilizados en ingeniería, siendo ejemplos comunes los radiadores de calefacción, calentadores de agua, evaporadores y condensadores en equipos frigoríficos, o los pasteurizadores.

Mecanismos de Transferencia de Calor

La transferencia de calor por **conducción** ocurre tanto en sólidos como en fluidos. En sólidos, se produce por el paso de energía vibracional entre moléculas o por el movimiento de electrones libres, siendo muy significativa en los metales. En fluidos, también incluye la transferencia de energía cinética. La **convección**, por su parte, se produce por la mezcla de partículas dentro del fluido. Si esa mezcla ocurre por diferencias de densidad, como al calentar un líquido desde abajo, se habla de **convección natural**. Si se produce por el movimiento forzado del fluido, como en una tubería calentada, se denomina **convección forzada**. En cuanto a la **radiación**, todos los materiales emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Cuando esta radiación incide sobre otro cuerpo, puede ser reflejada, transmitida o absorbida. Solo la parte absorbida contribuye al calentamiento del cuerpo.

Funcionamiento General de los Intercambiadores

Los intercambiadores de calor operan de forma continua y, una vez alcanzado el régimen permanente, la transmisión de calor se mantiene estable. Disponen de dos circuitos separados: uno por el que circula un fluido caliente y otro por el que circula un fluido frío. El calor se transmite del fluido caliente al frío a través de la superficie que los separa, principalmente por conducción y convección, aunque en ciertos casos también puede intervenir la radiación. Esta transferencia puede involucrar tanto calor sensible como calor latente.

Clasificación por Tipo de Contacto

Según el tipo de contacto entre los fluidos, los intercambiadores pueden clasificarse en dos grandes grupos: los de **contacto directo** y los de **contacto indirecto**. Los de contacto directo permiten que los fluidos se mezclen físicamente, como ocurre en torres de enfriamiento o condensadores evaporativos. En los intercambiadores de contacto indirecto, los fluidos no se mezclan.

Clasificación por Superficie y Flujo

Dentro de los de contacto indirecto, se distinguen los **intercambiadores alternativos** (o regenerativos), en los que ambos fluidos recorren el mismo espacio en momentos diferentes, sin contacto directo, y los **intercambiadores de superficie**, en los que una pared (plana o cilíndrica) separa físicamente los fluidos durante todo el proceso. En estos últimos, no existe posibilidad de mezcla ni contaminación, salvo por rotura de la superficie.

La dirección de circulación de los fluidos en los intercambiadores de superficie también permite clasificarlos. En los de **flujo paralelo**, ambos fluidos se mueven en la misma dirección. Si lo hacen en el mismo sentido, se denominan **equicorriente**; si lo hacen en sentidos contrarios, se llaman **contracorriente**, siendo esta última disposición la más eficiente. En los de **flujo cruzado**, los fluidos se mueven perpendicularmente o en ángulos entre sí, siendo habituales en intercambios de calor entre líquidos y gases.

Dentro de los intercambiadores de superficie, destacan los **multitubulares** o de **carcasa y tubos**. En estos, los fluidos pueden recorrer múltiples pasos, lo que permite combinaciones como 1-1 (un paso por la carcasa y uno por los tubos), 1-2, 2-4, etc., según la cantidad de veces que cada fluido atraviesa el equipo.