Refrigerantes

Los refrigerantes son sustancias que en absorben calor a baja temperatura y baja presión aprovechando que los líquidos, al evaporarse enfrían, como cuando un poco de alcohol se evapora en nuestra piel. 

Clasificación:

En la clasificación de los refrigerantes utilizaremos el criterio de ASHRAE y las indicaciones de la EPA (Environmental Protection Agency). La ASHRAE clasifica los regriferantes de forma muy general en los siguientes tipos:

• Derivados halogenados
• Mezclas zeotrópicas
• Mezclas azeotrópicas
• Hidrocarburos saturados
• Hidrocarburos insaturados
• Compuestos orgánicos no alquílicos
• Compuestos inorgánicos

Derivados halógenos saturados

Proceden del metano, etanol y propano por sustitución parcial o total de los átomos de hidrógeno por átomos de Cl, F. Pueden ser tipo:

CFC

Contienen Cl, F y C en sus moléculas. Se denominan clorofluorocarbonados. Estos refrigerantes dejaron de utilizarse a finales de 1994 en UEE y afínales de 1995 en el resto de países occidentales.

HCFC

Contiene H, Cl, F y C en su moléculas. Se denominan hidroclorofluorocarbonados. Dejarán de usarse en Europa a finales de 2014.

HFC

Contiene H, F y C en su molécula. Se denominan hidrofluorocarbonados. Son compuestos que no perjudican a la capa de ozono.

PFC

Sólo contienen F y C. Se denominan perfluorocarbonados. Son compuestos que no perjudican la capa de ozono.

Halones

Contienen H, Br, F y C en sus moléculas. Se denominan hidrobromofluorocarbonados. Les afecta la misma prohibición que a los contienen cloro en su molécula.

Derivados halógenos insaturados:

Porceden de hidrocarburos por sustitución parcial o total de los átomos de hidrógeno por átomos de F, Cl, o Br. Por ejemplo el R-1140 el 1-cloroeteno.

Mezcla Isotrópica

Son refrigerantes compuestos por una sustancia binaria que se comporta como un compuesto puro y que mantiene la misma composición tanto en la evaporación como en la condensación. Sus puntos de ebullición llegan a ser con mínima diferencia de temperatura; por ejemplo el R 507A, cuya composición es a partes iguales de R 125 (50%) y R143a (50%), esta mezcla tiene un deslizamiento entre ambos refrigerantes de solo 1°C, lo cual permite hacer recargas sin descompensar la mezcla. Las fugas no alteran su composición.

Mezcla Zeotrópia

Se trata de un refrigerante compuesto por una sustancia ternaria que no tiene la misma mezcla en la evaporación o condensación a una presión constante, este tipo de refrigerantes tienen la característica de que durante el cambio de fase (vapor a líquido / líquido a vapor) los componentes se puede segregar, es decir, separarse entre si, pero al final del cambio continua siendo el mismo refrigerante. A esto se le conoce como deslizamiento de temperatura o “glide”; aquí cabe mencionar que existen refrigerantes con un deslizamiento muy pequeño como, por ejemplo, el refrigerante R 404A, que es una mezcla de R 134a, R 125 y R 143a en proporciones de 4%, 52% y 44% respectivamente; en cuyo caso su extracción se sugiere que SIEMPRE DEBE SER EN ESTADO LÍQUIDO. Las fugas sí alteran su composición.

Mezclas Casi-Azeotropicas

Mezcla Zeotropica con un deslizamiento de temperatura muy pequeño.

Hidrocarburos saturados

Algunos hidrocarburos saturados pueden utilizarse directamente como refrigerante, otros forman parte de mezclas que se han propuesto como sustitutos de los CFC y HCFC. Por ejemplo el R-600, butanom es un componente minoritario del R -416 A.

Hidrocarburos insaturados:

Podemos decir lo mismo que lo dicho en el caso de saturados. Algunos hidrocarburos insaturados forman parte de mezclas propuestas como sustitutos de los CFC y HCFC. Por ejemplo el R-1270, el propileno, es un componente minoritario del R-411B.

Compuestos orgánicos no alquílicos

Entre ellos están el eter etílico, la metil-amina, el eter metílico y algunos más que deben mencionarse debido a su utilización pionera más que a su utilización actual, puesto que son inflamables y tóxicos.

Compuestos inorgánicos

Están los gases simples, o2, N2, etc., y los compuestos inorgánicos, H2O, NH3, CO2, etc.

Propiedades de los refrigerantes

Físicas

Las propiedades físicas dependen principalmente de la temperatura (excepto la masa molecular). Una información exhaustiva debería incluir una  tabla de propiedades en función de la temperatura.

Propiedades químicas

Inflamabilidad

Respecto a la inflamabilidad es importante reconocer si lo es y la temperatura de autoignición.

Toxicidad

La toxicidad se medía antiguamente con una numeración dad Underwritens Laboratories. La numeración iba de 1 hasta 6, indicando el número bajo mucha toxicidad. Actualmente se utiliza el criterio de la A.C.G.I.H (American Conference of Covernmental Industrial Hygiene) de los Estadps Unidos. Fija valores de concentración máxima umbral o permisible para distintas sustancias o índice TLV (Threshold limit value). La AIHA (American Industrial Average) que representa el valor medio ponderado en el tiempo para una jornada nrmal de 8 horas en una semana laborable de 40 horas al que pueden estar expuestos los trabajadores de forma continua sin sufrir efectos adversos. El máximo valor permisible que no debe sobrepasarse, para la gran mayoría de refrigerantes halógenos, se ha establecido en 1000 ppm, una excepción es el R-123 con 30 ppm. Por suspuesto el NH3 es un gas tóxico y por tanto su TVL es mucho más bajo 25 ppm.

Compatibilidad con los materiales

Establece la tolerancia de los refrigerantes con los materiales con los estará en contacto. Por ejemplo el NH3 no es compatible con el cobre.

Compatibilidad con el aceite

Es un tema muy importante, los lubricantes son necesarios para engrasar las partes móviles del compresor y para sellar las camisas de los cilindros si es alternativo o las cavidades en el caso de un rotatorio. Un exceso de aceite en el compresor o en el evaporador alteraría las funciones de estos dos intercambiadores, sobre todo en el caso de existir separación entre fase líquida del refrigerante y el aceite. 

Código para la identificación de refrigerantes 

Sitio web que describe con detalle todo lo referente a la nomenclatura de los refrigerantes: http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2008/01/el-standard-34-de-ashrae-nomenclatura-de-los-gases-refrigerantes/  

Base de datos 

Sistema de refrigeración por absorción

Otro sistema de refrigeración que tiene una ventaja económica cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200 °C, es la refrigeración por absorción. Algunos ejemplos de fuentes de energía térmica barata incluyen la energía geotérmica, la solar, el calor residual de centrales de cogeneración o de vapor de proceso, e incluso el gas natural cuando está disponible a un precio relativamente bajo.

Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. 

Para comprender los principios básicos que implica la refrigeración por absorción, se examina el sistema NH3 —H2O que se muestra en la figura 1. Se observa inmediatamente de que este sistema es muy similar al sistema por compresión de vapor, excepto que el compresor se ha sustituido por un complicado mecanismo de absorción compuesto por un absorbedor, una bomba, un generador, un regenerador, una válvula y un rectificador. 

Una vez que la presión del NH3 es elevada por los componentes presentados en la figura 1

dentro del rectángulo punteado, el amoniaco se enfría y se condensa en el condensador, liberando calor hacia los alrededores; se estrangula hasta la presión del evaporador y absorbe calor del espacio refrigerado cuando fluye a través del evaporador. Así que no hay nada nuevo. 

A continuación se indica lo que sucede dentro del rectángulo punteado: El vapor de amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y tiene una reacción química con el agua para formar NH3 · H2O. Ésta es una reacción exotérmica; por ello el calor se libera durante este proceso. La cantidad de NH3 que puede disolverse en H2O es inversamente proporcional a la temperatura. Por consiguiente, es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible y, por ende, para maximizar la cantidad de NH3 disuelto en el agua. La solución líquida NH3 H2O, que es rica en NH3,

se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar una parte de la solución. El vapor que es rico en NH3 pasa por un rectificador, que separa el agua y la regresa al generador. El vapor de NH3 puro de alta presión continúa luego su trayecto por el resto del ciclo. La solución caliente NH3 H2O, pobre en NH3, pasa después por un regenerador, donde transfiere una parte de su calor a la solución enriquecida que sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor.

Figura 1: Ciclo de refrigeración por absorción de amoniaco.

Pese a las ventajas que ofrece este versátil sistema en cuando a la forma de como obtiene su fuente de energía, resultan más costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamiento mucho más grandes para liberar el calor residual, y son más difíciles en mantenimiento dado que son poco comunes. Así, los sistemas

de refrigeración por absorción deberían considerarse sólo cuando el costo unitario de la energía térmica sea bajo y se proyecte permanecer bajo en comparación con la electricidad. 

El COP de sistemas de refrigeración por absorción se define como: 

El COP máximo de un sistema de refrigeración por absorción se determina suponiendo que el ciclo completo es totalmente reversible (es decir, el ciclo no incluye irreversibilidades ni ninguna transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura). El sistema de refrigeración sería reversible si el calor de la fuente (Qgenerador) se transfiriera a una máquina térmica de Carnot, y la salida de trabajo de esta máquina térmica se suministrara a un refrigerador de Carnot para extraer calor de un espacio refrigerado.

donde TL, T0 y T son las temperaturas termodinámicas del espacio refrigerado

El siguiente video explica este sistema de refrigeración pero con componentes más sencillos.

Ejemplo: 

Se suministra calor a un sistema de refrigeración por absorción de un pozo geotérmico a 130ºC, a razón de 5 x10^5 kJ/h. El entorno está a 25ºC, t el refrigerado se mantiene a -30ºC. Determine la tasa máxima  la que este sistema puede quitar calor del espacio refrigerado. 

Otro sistema de refrigeración por absorción es H2O - LiBr la cual utiliza el agua como fluido frigorífico y el bromuro de litio como absorbente. La utilización del agua como refrigerante limita las temperaturas en el evaporador dado que existe la limitación del punto de congelación. Se trata de una alternativa a la que NH3-H2O en cuanto que la utilización de NH3 encierra algunos riesgos dado su carácter tóxico, imflamable y corrosivo. 

Un aspecto de las máquinas de absorción es una reflexión sobre rendimientos. Dejando aparte el concepto de rendimiento energético, que esta perfectamente determinado, nunca como ahora el concepto de rendimiento utilitario, efeciencia, etc, ha estado tan sujeto a cambios, orientaciones, premisas, predicamentos. Es algo parecido a lo que ocurre con los beneficios económicos, ¿Qué es preferible, un beneficio alto y corto en el tiempo o un beneficio menos acusado pero más sostenible en el tiempo?. No siempre un rendimiento económico es  indicativo de la bondad de un proceso. Una industria maderera puede tener un altísimo rendimiento económico pero si acaba con los bosques de la región de acabará el negocio de la madera para el negociante y para sus hijos. 

Sistemas de innovación de compresión de vapor

Para uso industriales es menester el utilizar sistemas más eficientes que el de simple compresión a vapor, hoy en día contamos con el sistema de refrigeración en cascada y por múltiples etapas. A continuación veremos de que tratan:

Sistemas de refrigeración en cascada 

Un gran intervalo de temperatura en este caso de refrigeración del medio significa también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre desempeño en el compresor. Por eso una manera conveniente para evitar este problema es realizar varias etapas en serie. En la figura 1 se muestra el esquema del sistema de cascada.

Figura 1: Sistema de refrigeración de dos etapas con el mismo refrigerante en ambas etapas.

Entre sus aplicaciones encontramos:

La industria aeronáutica y automotriz se beneficia de este tipo de sistemas utilizándola en cámaras de prueba donde necesitan temperaturas de hasta -90ºC para medir la fiabilidad y durabilidad de partes.

La industria alimenticia utiliza sistemas en cascada para conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución. La eficiencia que ofrece un sistema en cascada puede ser mayor a un sistema de una sola etapa.

La medicina toma ventaja de este tipo de sistemas al conservar tejidos, plasma, vacunas y otros productos biológicos.

El principio de este proceso utiliza el arreglo del sistema de refrigeración por compresión de vapor, la cual dependiendo de cuantas etapas se desean son conectados en serie. Cada etapa es unida por un intercambiador de calor que sirve como evaporador para una etapa del ciclo y a la vez sirve como condensador para otra la otra etapa del ciclo.

Para el análisis de lo que ocurre dentro del intercambiador de calor se supone que este dispositivo está aislado y que las energías cinéticas y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual o muy cercana a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. De esta forma la relación de los flujos másicos que expresado así:

El sistema mostrado en la figura 1 es para el caso de que se presente refrigerantes iguales en las dos etapas, pero esto puede cambiar. Solo hay que tener siempre presente que para que haya transferencia de calor debe haber una gradiente de temperatura.

Observando la figura 1 es evidente que el trabajo del compresor disminuye y que el COP mejora al aumentar la absorción de calor del sistema. 

Ejemplo:
Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con refrigerante 134a como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede en un intercambiador de calor adiabático de contraflujo desde ambos flujos entran aproximadamente a 0.32 MPa (En la práctica, el fluido de trabajo del ciclo inferior estará a una presión y una temperatura más altas en el intercambiador de calor, para una transferencia de calor efectiva.) Si el flujo másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 Kg/s determine a) el flujo másico del refrigerante en el ciclo inferior, b) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, así como c) el coeficiente de desempeño de este refrigerador en cascada.

Las entalpías se han buscado en las tablas del refrigerante en el libro de Cengel de cualquier edición.

Como este problema trabaja en el rango de presiones máximo y mínimo del problema 1 mostrado en el ciclo de refrigeración por compresión ideal, se puede observar que el COP aumenta cuando se han utilizado dos etapas en vez de una.

Sistema de refrigeración por múltiples etapas por compresión

Cuando se utiliza el mismo refrigerante o fluido refrigerador en el proceso de cascada, se puede configurar el sistema de tal forma que el intercambiador puede sustituirse por una cámara de mezclado (llamado cámara de vaporización instantáneo). 

Este sistema está representado en la figura 2. La cámara de vaporización es un dispositivo utilizado para separar fluidos en mezcla donde entra un fluido en forma de mezcla saturada a una presión determinada y sale con la misma presión en ambas partes, en forma de líquido saturado por una salida y por la otra en forma de vapor saturado.

Figura 2: Esquema del sistema de refrigeración por compresión de dos etapas con una cámara de vaporización instantánea. 

Durante este ciclo, el refrigerante líquido se expande en la primera válvula de expansión hasta la presión de la cámara de vaporización instantánea y parte del líquido se evapora, una parte de la mezcla sale como líquido saturado y otra parte sale como vapor saturado. El vapor que viene saturado en el estado 3  se mezcla con el vapor sobrecalentado del compresor de baja presión (estado 2) y esta mezcla se dirigirá al compresor de alta presión en el estado 9. Esto simboliza una regeneración. Luego el líquido saturado en el estado 7 se expande  a través de la segunda válvula de expansión dirigiéndose al evaporador donde absorbe el calor del espacio refrigerado.

Este sistema de refrigeración presenta similitudes o es muy parecido a una de compresión con dos etapas de enfriamiento. 

Para el análisis del proceso ha de hacerse el siguiente procedimiento:

Ejemplo:
Considere un sistema de refrigeración por compresión de dos etapas que opera en los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. El fluido de trabajo es el refrigerante 134a. El refrigerante sale del condensador como un líquido saturado y es estrangulado hacia una cámara de vaporización instantánea que opera a 0.32 MPa. Parte del refrigerante se evapora durante este proceso de vaporización instantánea, y este vapor se mezcla con el refrigerante que sale del compresor de baja presión. La mezcla se comprime luego hasta la presión del condensador mediante el compresor de alta presión. El líquido en la cámara de vaporización instantánea se estrangula hasta la presión del evaporador y enfría el espacio refrigerado cuando se evapora en el evaporador. Suponiendo que el refrigerante sale del evaporador como un vapor saturado y que ambos compresores son isentrópicos, determine a) la fracción del refrigerante que se evapora cuando se estrangula hacia la cámara de vaporización instantánea, b) la cantidad de calor extraído del espacio refrigerado y el trabajo del compresor por unidad de masa del refrigerante que circula a través del condensador y c)
el coeficiente de desempeño.

En resumen el COP dio muy parecido al que se muestra como resultado del problema planteado para el caso de un sistema de refrigeración en cascada. Claro que esto ocurrió ya que se ha usado el mismo refrigerante. 

Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor

Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor presenta algunas diferencias de uno ideal, principalmente, debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor se muestra en la figura 1.

Figura 1: Esquema y diagrama T-s para el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor. 

En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la práctica, no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso, se diseña el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entra al compresor. También, la línea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto, la

caída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor  de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas. El resultado del sobrecalentamiento, de la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas

de presión en el evaporador y la línea de conexión, consiste en un incremento en el volumen específico y, por consiguiente, en un incremento en los requerimientos de entrada de potencia al compresor puesto que el trabajo de flujo estacionario es proporcional al volumen específico.

El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente, la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2 ) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1-2 puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico

debido a que el volumen específico del refrigerante y, por consiguiente, el requerimiento de entrada de trabajo son más pequeños en este caso. 

En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como líquido saturado a la presión de salida del compresor. En realidad, es inevitable tener cierta caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el compresor y la válvula de estrangulamiento. Además, no es fácil ejecutar el proceso de condensación con tal precisión como para que el refrigerante sea un líquido saturado al final, y es indeseable enviar el

refrigerante a la válvula de estrangulamiento antes de que se condense por completo. En consecuencia, el refrigerante se subenfría un poco antes de que entre a la válvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto, se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpía inferior y por ello puede absorber más calor del espacio refrigerado. La válvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la caída de presión en la línea de conexión es pequeña.

Ejemplo: Al compresor de un refrigerador entra refrigerante 134a como vapor sobrecalentado a 0.14 MPa y -10 ºC a una tasa de 0.05 kg/s y sale a 08 MPa y 50 ºC. El refrigerante se enfría en el condensador a 26ºC y 0.72ºC y se estrangula a 0.15 MPa. Descarte toda posibilidad de transferencia de calor y caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes y determine, a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la eficiencia isentrópica del compresor y c) el coeficiente de desempeño del refrigerador.

Suposiciones: Existen condiciones estacionarias de operación y los cambios en las energías cinéticas y potencial son insignificantes.

Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores y otras aplicaciones de refrigeración debido a su simple mecanismo, se compone de cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en un compresor.
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador 

Figura 1: Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. 

Pare entender qué sucede dentro del ciclo es importante analizar etapa por etapa casa estado del mismo.
En el estado 1 el refrigerante entra al compresor como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador, durante esta etapa el refrigerante aumenta su temperatura, la cuál incluye la que ha absorbido o removido del espacio refrigerado y la ganada en el proceso de compresión. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores o intercambio de calor entre el refrigerante, las tuberías y el medio. El vapor irá cambiado de estado hasta volverse líquido debido a la pérdida de calor que experimenta el refrigerante a lo largo del condensador. El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso y termina perdiendo el calor que no pudo ser del todo removido en el condensador. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor húmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo.

El área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s de la figura 1, representa la transferencia de calor en caso de procesos internamente reversibles. El área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador.

Para la deducción de las ecuaciones se toma en cuenta que los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa se reduce a

El desempeño de se expresa en términos del coeficiente de  desempeño (COP) por sus siglas en inglés (coefficient of peformance), definido como:

Ejemplos: 

1. En un refrigerador se utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. Si el flujo másico del refrigerante es de 0.05 kg/s, determine a) la tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la tasa de calor al ambiente y c) el COP del refrigerador.

Figura 2: Diagrama T-s descrito en el ejemplo 1. 

Desarrollo: Un refrigerador opera en  un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre dos límites de presión específico. Se determinarán la tasa de refrigeración, la entrada de potencia. la tasa de rechazo de calor y el COP. 

Suposiciones: Existe condiciones estacionarias de operación y los cambios de energías cinéticas y potenciales son insignificantes. 

Observando el diagrama de la figura 2 y recordando lo que indica la teoría del ciclo de refrigeración ideal por compresión, analizaremos cada estado.

Todos los estados son extraídos del libro de termodinámica Cengel.  

Ejemplo 2: Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. El refrigerante entra al evaporador a 120 kPa con una calidad de 30% y sale del compresor a 60ºC. Si el compresor consume 450 W de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la presión del condensador y c) el COP del refrigerador. 

Figura 3: Esquema del proceso del ejemplo 2. 

Figura 4: Diagrama T-s del ejemplo 2. 

Qué es refrigeración

Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración. Los refrigeradores enfrían aprovechando el hecho de que los líquidos al evaporarse producen frío, como cuando un poco de alcohol se evapora de la piel.

El ciclo de refrigeración que se utiliza con más frecuencia es por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otro ciclo de refrigeración es el de gas en el que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa, por otro lado, también se encuentra el ciclo de refrigeración en cascada, la cual utiliza más de un ciclo de refrigeración, aparte otro ciclo de refrigeración estudiado es por absorción, donde el refrigerante se disuelve en un líquido antes de comprimirse.

Principio de funcionamiento

En el mercado existen unos líquidos llamados refrigerantes que se evaporan más fácilmente que el agua o el alcohol. Entre ellos esta el freón o R 12, que es el más conocido o usado.

Figura 1: Esquema del sistema de refrigeración simple. 

Este sistema consta de unos tubos que salen y regresan a una compresor. Durante su recorrido el refrigerante se evapora continuamente y se hace líquido una y otra

vez.

En la figura 1 se muestra dos secciones, una de color roja que representa la línea de alta presión y otra de color azul que representa la línea de baja presión. 

La sección de alta presión el refrigerante que sale del compresor en forma de gas, entra a la tubería del condensador donde se vuelve líquido debido al proceso de intercambio de calor donde el refrigerante pierde calor por medio de la convección con el aire.

La sección de baja presión, que es donde el refrigerante se evapora y se vuelve gas, está compuesta por el evaporador o congelador y la línea de retroalimentación.

El proceso inicia en el compresor que por un lado succiona el refrigerante vaporizado, por el otro lado descarga con presión. Del condensador el refrigerante pasa a un filtro que retiene impurezas, enseguida penetra un tubo muy delgado llamado capilar que controla la dosificación del refrigerante en el evaporador. Al final del tubo capilar la presión del refrigerante líquido está en su máximo nivel. Cuando el refrigerante entra al evaporador donde hay baja presión se expande, hierve, se convierte en vapor, absorbe calor del gabinete y enfría. Este proceso se mantiene hasta que el gabinete del refrigerador está suficientemente frío y un termostato detiene el motor, que sólo se vuelve a encender cuando la temperatura del gabinete se eleva.

Descripción de componentes importantes 

Condensadores: El condensador es una tubería ondulante o serpentín donde el gas a presión que sale del compresor se transforma en líquido. Al compactarse, esto es, al reducirse su volumen, el gas produce calor. Así, el gas que venía frío en el retorno, se calienta al comprimirse en el condensador y allí mismo se enfría, para pasar a ser un líquido, en vez de gas. Enfriarse es perder calor y el condensador está hecho de tal forma que el calor que el refrigerante transmite al cobre de las tuberías, se disipa en el aire. En el condensador el refrigerante pierde no sólo el calor que genera la compresión, sino también el calor que absorbió en el evaporador.

Para ayuda a que el aire disipe el calor, las tuberías del condensador va unidas ya sea a una lámina, a una serie de laminillas o a un metal como panal, semejante al de los radiadores de los automóviles. 

En los refrigeradores domésticos el aire puede quitar el calor al condensador de dos maneras: por convección y forzada. Por convección, el aire que rodea al condensador se renueva de manera natural porque sube al calentarse, creando una corriente ascendente, un efecto como de chimenea. La ventilación forzada se logra colocando un ventilador que arroja aire al condensador.

Figura 2: Condensador.

Filtros: Entre el condensador y el tubo capilar se coloca un filtro para retener las impurezas que puede llevar el refrigerante, entre ellas el agua que al cristalizarse, podría tapar el evaporador. Por ello, algunos de estos filtros se llaman deshidratadores, pues además retienen la humedad. 

Los filtros consisten en un tubo de cobre dentro del que va una malla gruesa sílica gel para absorber y retener la humedad y una malla fina. No remueve grandes cantidades de agua, sino muy pequeñas. La humedad del sistema se debe eliminar antes con una bomba de vacío, para luego soldar el filtro al final de la tubería del condensador. Algunos sistemas comerciales no llevan el filtro soldado sino fijo mediante una tuerca unión. 

Figura 3: Filtro con unión roscada. 

Capilares: Los tubos capilares o restrictores capilares, llamados así por el pequeño diámetro de su orificio, que no llega a ser el de un cabello, pero sí de un tercio a medio milímetro, van colocados entre la salida del filtro deshidratador y el evaporador.

Figura 4: Capilares. 

Este tubo con un diámetro tan pequeño particularmente al compararlo con el diámetro del tubo del condensador, tiene varias funciones. Una de ellas  causar una caída de  presión, otra propiedad del capilar es completar la condensación, es decir, hacer que el poco gas que pueda circular todavía por el condensador, acabe de convertirse en líquido dentro del capilar. 

Finalmente el capilar tiene la función de disipar completamente el calor del refrigerante. Para ello, el delgado tubo, con una longitud de 2.80 a 3.10 m, va unido, pegado a todo lo largo de la línea de retorno, que lleva el gas frío de regreso al compresor. 

Esta unión del capilar con la línea de retorno, que se conoce como intercambiador de temperatura se hace de fábrica con soldadura de estaño. Cuando el tubo capilar se sustituye por uno nuevo generalmente se enrolla en espiral sobre la línea de retorno, en vez de soldarse.

Los capilares también controlan y regulan el flujo del refrigerante líquido al evaporarse y mantienen un equilibrio entre la sección de alta y baja presión, además de que impiden que se forme escarcha en la línea de retorno. 

Evaporadores: El evaporador también conocido como congelador es el lugar donde se produce el frío. El evaporador es el inicio de la sección de baja presión. Efectivamente la succión del compresor hace que dentro de la línea de retorno y en el evaporador haya poca presión, esto es, una especie de vacío. 

Cuando el refrigerante líquido llega con gran presión al final del capilar y entra al evaporador, que se encuentra a baja presión, el líquido se expande súbitamente, comienza a hervir y se vaporiza, con algunas gotas líquidas. 

Al volverse gas el refrigerante absorbe calor del gabinete y lo enfría. En su recorrido por el evaporador, las pequeñas gotas de refrigerante terminan por gasificarse, de manera que cuando el refrigerante entra a la línea de succión es solamente gas.

El evaporador puede asumir muchas formas: de concha, de anaquel, de pared y de aire forzado, sin escarcha.

Figura 5: Evaporador tipo anaquel.

Línea de succión: La línea de succión lleva el refrigerante del evaporador al compresor. Es un tubo con diámetro suficientemente grande para conducir el gas con la menor resistencia pues, además, bajo directo, casi ocurre de la salida del acumulador a la entrada del compresor. 

Compresor: El compresor es el corazón del refrigerador. Succiona el gas de la sección de baja presión y lo envía con fuerza dentro del condensador y al resto de la sección de alta presión. 

En muchos de los sistemas comerciales el motor se conecta al compresor por medio de una banda, pero en los domésticos, el motor va unido directamente al compresor, encerrado todo dentro de una caja metálica herméticamente o calabazo, montada sobre unos resortes, para evitar que la vibración se sienta fuera de la caja.

El mecanismo más común para succionar y comprimir el refrigerante es mediante el vaivén de un pistón que al bajar chupa y al subir comprime.

El refrigerante entra y sale del pistón a través de válvulas o laminillas. Cuando el pistón desciende, se abre la válvula de succión, cuando hace el movimiento de regreso se cierra esa válvula y se abre la de compresión que envía gas al condensador. 

El pistón es accionado en un vaivén que sube y baja mediante un cigueñal que convierte el movimiento rotatorio del motor en un movimiento rectilíneo, por medio de una biela. Todo ello lubricado con un aceite especial que hay dentro del compresor. 

Refrigerantes: Los refrigerantes se identifican por un número precedido por la letra R. El R12 es el más conocido y usado en refrigeración, es una sustancia que hierve a -29ºC a presión atmosférica y no se afecta por el aceite del compresor. No es corrosivo, ni inflamable, ni irritante y se vende en tanques de color blanco, a diferencia del R22, este es más usado en aire acondicionado y su tanque es verde, mientras que el R502 es púrpura, el R500 amarillo y el R11 naranja. Mientras los refrigerantes esten dentro de un sistema dee refrigeración no contaminan, pero dispersos en la atmósfera resultan sumamente dañinos. 

Figura 6: Algunos refrigerantes. 

Termostatos: El control de la temperatura es el circuito que gobierna la operación del compresor. Los refrigeradores trabajan entre 8 a 14 horas diarias durante periodos de 5 a 10 minutos, a fin de mantener la temperatura del gabinete entre 2 y 7ºC y  del congelador entre -15 y -34 ºC. 

En los refrigeradores domésticos se usan dos tipos de termostatos: los de bulbo sensor y los bimetálicos.

Los termostatos de bulbo sensor actúa por la expansión y contracción del vapor contenido en un fuelle o diafragma metálico. Al elevarse la temperatura del gabinete, el gas se expande activando un contacto eléctrico el cual enciende el compresor.

Al enfriarse el gabinete, la presión del gas dentro del fuelle disminuye y se contrae, desconectando el interruptor del compresor, que entonces deja de trabajar hasta que la temperatura vuelve  a subir y el termostato enciende de nuevo el motor. 

Figura 7: Termostato de bulbo.

El termostato bimetálico está hecho con un par de metales por coeficiente de expansión diferentes como el acero y el cobre o bronce. Cuando las barras metálicas unidas por un respaldo se calienta, una de ellas, la de cobre, se expande más aprisa que la de acero, con los que los metales se doblan.

Figura 8: Termostato bimetálico.