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Refrigeración

Aunque en el pasado la producción de frío era un sueño inalcanzable, hoy en día la sociedad moderna no se concibe sin estas máquinas que abundan por todas partes.

La producción de frío se puede hacer por las siguientes vías principales:
  1. Enfriamiento por evaporación.
  2. Enfriamiento a termopares.

  3. Enfriamiento por disolución.

Enfriamiento por evaporación

Este método de producir frío es con mucho el mas utilizado, se basa en el principio de que un líquido al evaporarse absorbe el calor latente de evaporación, extrayendo calor del medio que lo rodea y por consecuencia enfriándolo. Se utilizan en la práctica tres métodos principales:
  1. Compresión-licuefacción.
  2. Absorción.

  3. Adsorción
Contenido del artículo
Enfriamiento por evaporación
Refrigeración por compresión-licuefacción
Refrigeración por absorción
Refrigeración por adsorción
Refrigeración por temopares
Refrigeración por disolución

Refrigeración por compresión-licuefacción

El esquema que sigue (figura 1), representa un sistema de refrigeración de este tipo:
Refrigeración por compresión

Figura 1


En este sistema se utiliza un compresor mecánico para elevar la presión de un fluido gaseoso especial que funciona como refrigerante, confinado a un sistema cerrado herméticamente.

El fluido comprimido se hace circular por un conducto serpenteante llamado condensador, dotado de aletas donde se enfría y condensa como líquido, al quedar por debajo de la temperatura de condensación según el diagrama de fases para esas condiciones de presión y temperatura.
 
Una alta resistencia al flujo a la salida del condensador representado por el tubo capilar, frena el libre flujo a través del sistema para permitir, que el compresor eleve la presión suficientemente, como para que se sobrepase la presión necesaria para que el refrigerante condense, a temperatura próxima a la ambiente.

El refrigerante condensado circula como líquido por el conducto capilar y se vierte a otro conducto también tortuoso, de mayor diámetro que el capilar, y con muy baja presión en su interior, debido a la succión del compresor, conocido como evaporador. Ante esas nuevas condiciones el refrigerante se evapora rápidamente, se enfría notablemente, enfriando a su vez el evaporador.

Los vapores producidos en el evaporador, son succionados nuevamente por el compresor y el ciclo se reinicia y mantiene de manera continua hasta alcanzar temperaturas muy bajas en el lado del evaporador.

Como fluidos refrigerante se utilizan frecuentemente, el amoníaco, los freones (12 y 24), algunas mezclas de hidrocarburos y mezclas de hidrocarburos con freones. Los freones son compuestos complejos de flúor y cloro.

Refrigeración por absorción

Este método de refrigeración está reservado casi universalmente a grandes instalaciones comerciales. Fundamenta su uso en el hecho de que algunas sustancias conocidas como absorbedores, tienen gran avidez por absorber vapores de otras, que funcionan como refrigerantes. Cuando entran en contacto ambas sustancias, el absorbedor "succiona" vapores del refrigerante produciendo el consecuente enfriamiento.

En la práctica se usan mas comúnmente dos sistemas:
  • Agua-amoníaco, donde el agua es el absorbedor y el amoníaco el refrigerante.
  • Bromuro de litio-agua, donde el bromuro de litio es el absorbedor y el refrigerante el agua.

El esquema siguiente (figura 2) representa un sistema simplificado de refrigeración de este tipo.
Refrigeración por absorción
Figura 2



En el dibujo pueden apreciarse tres componentes básicos:
  1.  Condensador.
  2.  Evaporador.

  3.  Generador.
Supongamos que para este sistema el absorbedor es agua y el refrigerante amoníaco.

El agua casi pura que  proviene del generador se inyecta en forma de llovizna dentro de la cámara del evaporador, esta agua absorbe con gran avidez los vapores de amoníaco que están dentro del evaporador, la presión se reduce, generando vacío,  y esto hace que en el lado izquierdo del evaporador donde está siendo inyectado el refrigerante se produzca su evaporación con el consecuente enfriamiento. Un conducto que transporta agua colocado en esa zona proporciona agua helada para ser utilizada como elemento enfriador externo de uso múltiple.

El agua con el amoníaco disuelto se acumula en el fondo del evaporador y es bombeada de nuevo al generador. Un calentador externo suministra suficiente calor al agua como para que se produzca una suerte de destilación y se separe el amoníaco el forma de vapores, regenerándose de nuevo el agua casi pura para volverse a utilizar en el proceso.

Los vapores de amoníaco generados en el generador de conducen al condensador, entran en contacto allí con un elemento frío representado por el conducto serpenteante y condensan de nuevo a líquido, para ser inyectado de nuevo al evaporador.

El conducto tortuoso representado del lado derecho por el que circula agua fresca sirve para enfrían el absorbedor procedente del generador donde ha sido calentado para la separación del amoníaco.
Obsérvese que el proceso se realiza de manera continua en un ciclo cerrado sin pérdidas de absorbedor o refrigerante.

Refrigeración por adsorción

Como adsorción se conoce la capacidad que tienen algunas sustancias de adsorber y retener dentro de su estructura morfológica a moléculas de otras sustancias, en una especie de "trampa laberíntica" donde la molécula "visitante" se introduce espontáneamente, pero luego no puede salir y queda retenida. Generalmente un calentamiento posterior, hace que la molécula retenida se libere y el elemento adsorbedor quede "limpio".

Hay muchas sustancias con esa capacidad, pero las mas utilizadas en la práctica son el carbón vegetal activado, las zeolitas, las tierras de diatomeas y otras.

Como los procesos de absorción y adsorción son en principio muy similares en cuanto a su resultado neto, la refrigeración por adsorción solo se diferencia de la de por absorción en la naturaleza de las sustancias adsorbedoras, el refrigerante y sus temperaturas de trabajo.

Este método de refrigeración se ha considerado recientemente como una alternativa práctica para la utilización de fuentes renovables de energía en la producción de frío, y existen prototipos en uso en diferentes países, utilizando la energía solar diurna, para producir agua fría durante la noche.

Refrigeración por termopares

Este método de lograr frío está siendo utilizado mas recientemente para pequeñas neveras que han comenzado a aparecer en el mercado, para uso doméstico (figura 3).

Se basa en la utilización del enfriamiento que se produce en uno de los extremos del termopar, sometido a la circulación de corriente eléctrica continua.
Este método de refrigeración se llama con frecuencia refrigeración Peltier en honor a su descubridor.

Hasta hace muy poco tiempo el efecto Peltier se utilizaba solo para la fabricación de termopares de medición y en algunos casos para la producción de electricidad a baja escala en aplicaciones especiales, pero con el desarrollo de cerámicas semiconductoras capaces de generar frío considerable al circular por ellas la electricidad, se ha abierto un nuevo capítulo en el uso del efecto Peltier en la construcción de refrigeradores, capaces de competir con los tradicionales.

Un típico elemento refrigerador Peltier se muestra en la figura siguiente.
Refrigeración con tempopares
Figura 3

Este dispositivo funciona como bomba de calor entre dos placas, de manera que absorbe calor por una, enfriando el ambiente que le rodea, y lo disipa por la otra. El efecto final es, que una placa se enfría y la otra se calienta.

Estas placas están unidas por cerámicas semiconductoras especiales que tienen un marcado efecto Peltier. Cuando se hace circular corriente continua en una dirección, el calor se transporta de una placa a la otra, como se muestra, pero si se invierte la polaridad, se invierte también la dirección del tránsito del calor.

Esta posibilidad de intercambiar la placa fría y caliente, hace que las neveras construidas con refrigeración Peltier, funcionen lo mismo como calentadores que como refrigeradores con solo invertir la polaridad de la alimentación eléctrica.
Un esquema de como se utiliza en la realidad los refrigeradores Peltier se muestra el el dibujo siguiente:
dibujo
Figura 4

El refrigerador Peltier se coloca adherido a la pared de la cámara refrigeradora, y está provisto de dos ventiladores, uno del lado caliente y otro del lado frío, que fuerzan el aire circundante a través de respectivos bloques de aletas que están extrayendo el frío o el calor del elemento Peltier. Estos ventiladores distribuyen a la cámara refrigerada, o al ambiente el calor o el frío, en cada caso.
 
Una capa de aislamiento impide el libre tránsito de calor entre una y otra placa.

Refrigeración por disolución

Este tipo de refrigeración solo se utiliza para situaciones especiales donde no se puede acudir a la refrigeración convencional, por ejemplo, por carencia de electricidad.

Este método se basa en la capacidad que tienen algunas sales de enfriar notablemente la disolución, cuando se disuelven en un líquido como por ejemplo el agua, o en otros casos cuando entran como un segundo elemento al diagrama de fases moviendo a un valor mas bajo la temperatura de fusión de un sólido, tal como el hielo.

Un ejemplo de la primera aplicación que puede servir para enfriar bebidas sin electricidad, se logra disolviendo suficiente cantidad de nitrato de amonio, en el agua donde se han sumergido las bebidas.

El segundo caso fue muy utilizado y aun se utiliza cuando se elaboran helados caseros por métodos tradicionales, y consiste en la adición de sal común en granos (sal gruesa o sal gema), al agua de las conocidas sorbeteras. Esta adición de sal, baja notablemente la temperatura de la mezcla de agua e hielo que rodea a la cuba de mezclado, la que de cualquier otra forma no podría ser nunca menor que cero grados celsius (punto de fusión de hielo a presión normal).

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