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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:
- Enfriamiento por evaporación.
- Efriamiento a termopares.
- 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:
- Compresión-licuefacción.
- Absorción.
- Adsorción
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Refrigeración por
compresión-licuefacción
El esquema que sigue (figura 1), representa un sistema de
refrigeración
de
este tipo:
Figura 1
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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. |
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Figura 2
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En el dibujo pueden
apreciarse tres componentes básicos:
- Condensador
- Evaporador
- 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".
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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.
Figura 3
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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:
Figura 4
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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.
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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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