Paso a Paso – Como funciona un sistema de refrigeración

Haber conocido los sistemas de aire acondicionado de 10 salas de internet, tener acceso a un datacenter con 2 super máquinas de refrigeración, 4 años en contacto con los profesionales de la empresa “Aire Ambiente” , el poderosísimo Thermaltake PW880i Liquid Cooling System, tener una nevera nueva (en el momento de escribir este artículo) y más recientemente haber sentido frustración por un intento fallido de matrícula en un curso virtual de Sistemas de Refrigeración se ven gratamente recompensados por este excelente artículo de laflecha.net, el cual procedo a copiar y pegar en mi blog, a manera de backup de internet.

¿Será que me equivoqué de profesión? No creo. Tal vez soy demasiado polifacético.

Advertencia: El artículo es LARGÍSISISISISIMO, pero vale DEMASIADO la pena.

Tomado de: http://www.laflecha.net/canales/ciencia/la-ciencia-del-frigorifico

La ciencia del Frigorífico

El frigorífico es, quizá, el electrodoméstico que más asociado tenemos a la comodidad de los tiempos modernos. Podemos imaginarnos cocinando con carbón, calentándonos con hogueras, o iluminándonos a la luz de las velas, pero se nos hace muy difícil entender cómo podría ser la vida antes de este imprescindible aparato. Por Daniel Sebastián de Erice, de Caos y ciencia.com

12 Dec 2009 | CAOS Y CIENCIA

Y sin embargo, mucho antes de la invención del primer refrigerador artificial en 1755, o de la comercialización de las primeras neveras domésticas en 1927, ya se utilizaban mecanismos de refrigeración muy sofisticados. Los egipcios, los hindúes y otros pueblos se servían de vasijas de gres muy porosas, que llenaban de agua y tapaban con paja. Seguidamente empapaban la vasija con más agua, y dejaban que pasara toda una noche a la intemperie mientras un grupo de esclavos se dedicaba a abanicar el agua para potenciar su evaporación. En noches frías y secas podían conseguir que el agua contenida en la vasija de gres se congelara.

Ya en la antigua Grecia se acumulaba nieve en el invierno que se comprimía en pozos para la formación de hielo, un sistema que se ha estado utilizando en la Península Ibérica hasta bien entrado el siglo XX, y del que quedan numerosos vestigios en forma de neveros, pozos de nieve, pous de glaç en zonas rurales catalanas, o elurzulos en el País Vasco. Incluso, en el Madrid del Siglo de Oro era habitual ver a los paseantes consumiendo helados y bebidas frías. Para fabricarlos se utilizaba nieve traída de la Sierra de Madrid, cuyo transporte se convirtió en un buen negocio. El traslado de grandes cantidades de hielo y nieve de las zonas frías a las cálidas se realizó desde los tiempos de la Roma clásica, en la que el hielo provenía de los Alpes, hasta el siglo XIX, en el que Suecia exportaba grandes bloques de agua congelada de sus lagos a numerosos países de América y Europa.

Y, por supuesto, no debemos dejar de hablar del sistema de refrigeración español por antonomasia: el botijo (“vasija abultada de barro poroso”, según el diccionario de la RAE).

Se suele decir que no hay nada más simple que el mecanismo de un botijo. Vale. Pero, ¿cómo funciona un botijo?

Para entenderlo, debemos hacer primero una aclaración importante. La palabra “calor”, que a partir de ahora utilizaremos bastante a menudo, no tiene en ciencia el significado que le damos coloquialmente. En el lenguaje de la calle “calor” es sinónimo de alta temperatura. Sin embargo, en el lenguaje científico el calor es una propiedad que poseen todos los cuerpos debido al movimiento interno de las partículas que los componen. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto, se produce una transferencia de calor del cuerpo que tiene una temperatura más alta al cuerpo que la tiene más baja, y como consecuencia, desciende la temperatura del primer cuerpo y aumenta la del segundo hasta llegar a una temperatura común. O lo que es lo mismo, las partículas del cuerpo con mayor temperatura “ceden” movimiento a las del otro.

Cuando hablemos de calor, no nos referiremos por tanto a altas temperaturas, sino a esa transferencia de energía que se da entre dos cuerpos. Como hemos dicho, uno de los posibles efectos de transferir calor a un cuerpo es el aumento de su temperatura. Pero no es el único. También podemos producir un cambio de estado.

Veámoslo con un ejemplo: si tenemos un cubito de hielo a una temperatura inicial de -5 ºC y lo colocamos encima de un radiador, haremos que el cubito aumente su temperatura hasta llegar a los 0 ºC. En ese punto el hielo empezará a fundirse, pero no seguirá aumentando su temperatura hasta que no esté completamente fundido, aunque hayamos seguido transfiriéndole calor desde la estufa. Sólo cuando el cambio de estado, de sólido a líquido, se haya completado, empezará de nuevo a aumentar la temperatura del agua, ahora ya en estado líquido. Todo el calor que hemos necesitado proporcionar al hielo para conseguir su fusión completa es lo que llamamos calor latente de fusión.

Ocurrirá lo mismo si aumentamos la temperatura del agua hasta los 100 ºC, momento en el cual empezará a cambiar de fase, de líquido a gas. Tendremos que seguir proporcionando calor para que este cambio se complete, y vuelva a aumentar la temperatura del gas más allá de los 100 ºC.

Por esta razón el agua hirviendo nunca está a más temperatura que 100 ºC, y un vaso de agua con hielo nunca bajará de los 0 ºC.

Pero volvamos ahora a nuestro botijo. La clave de su funcionamiento es precisamente la porosidad del material con el que se construye. Para que un botijo funcione es necesario que una pequeña parte del agua que está en su interior sea exudada hacia el exterior (por este motivo no se ven botijos esmaltados).

El agua que se encuentra en la superficie exterior del botijo se evapora con facilidad, pero, como hemos visto anteriormente, para producir este cambio de estado (de líquido a gas), es necesario aportar calor. ¿Y quién cede este calor? El agua que está dentro del botijo. Esta cesión provoca un descenso en la temperatura del interior de la vasija. Cuanto mayor sea la cantidad de agua que se evapora en el exterior del barro, mayor será la necesidad de calor, y más descenderá la temperatura del agua del interior. De ahí que los botijos que se colocan al sol mantengan el agua más fresca que los que se colocan a la sombra.

Este mismo principio es el que utiliza nuestro cuerpo para mantener la temperatura constante. No es el sudor lo que nos refresca, es su evaporación sobre la piel lo que provoca que nuestro cuerpo ceda calor y descienda su temperatura. Los ventiladores no bajan la temperatura de la habitación, sino que aceleran la evaporación del sudor.

Un siguiente paso para mejorar la capacidad de refrigeración por evaporación del agua es cambiar de líquido. Hay líquidos que requieren una mayor cantidad de calor para cambiar de estado o que se evaporan mucho más rápidamente y, por tanto, son mejores refrigerantes.

Hagamos el siguiente experimento: introduzcamos sucesivamente la mano en un cuenco que contenga aceite, otro con agua caliente, un tercero con agua templada, y uno último con alcohol. ¿Con cuál de ellos notamos una mayor sensación de frescor al sacar la mano? En primer lugar con el alcohol que, aunque tiene un calor latente de vaporización menor que el del agua, sin embargo se evapora mucho más rápido a temperatura ambiente. Luego con el agua caliente, por la misma razón (se evapora más rápido que el agua templada), y por último con el aceite, que apenas se evapora.

Una vez que hemos encontrado un buen líquido refrigerante, lo que debemos hacer si queremos seguir mejorando el mecanismo del botijo, es acelerar su evaporación. Los esclavos egipcios, los ventiladores, los abanicos… utilizan para ello una corriente de aire, pero hay un mecanismo mucho más efectivo: el vacío.

Propongo un nuevo experimento. Introduzcamos 10 mililitros de alcohol en una jeringuilla de 60 mililitros (de las grandes), de forma que no quede nada de aire en su interior. Tapemos el extremo de la jeringuilla con el dedo y tiremos del émbolo hacia atrás, de modo que se produzca el vacío en el interior de la jeringuilla. Según vamos tirando podremos observar que en el alcohol se generan una serie de burbujas, como si estuviera en ebullición. Lo que está ocurriendo es que el alcohol se evapora rápidamente para llenar el vacío creado en forma de gas. Esta evaporación provoca un descenso en la temperatura de la jeringuilla, pero, al ser de plástico, no somos capaces de apreciarlo.

En 1755, William Cullen, un médico escocés, realizó este mismo experimento a mayor escala, utilizando dietil éter como líquido refrigerante y una máquina de vacío en lugar de una jeringuilla. De esta manera consiguió producir hielo por primera vez en la Historia de una manera mecánica. De aquí a la invención del frigorífico no hay más que un paso, aunque tuvo que transcurrir más de un siglo para darlo debido a la influencia de la por entonces poderosa industria del hielo. Se trata de producir la evaporación acelerada de un líquido refrigerante de manera continua, y no en una sola vez, como en el experimento de William Cullen. Para ello un frigorífico moderno utiliza un circuito por el que va pasando el líquido/gas refrigerante a través de distintas fases. Unas partes de este circuito están en el interior de la nevera (las que enfrían), y otras están fuera (las que disipan el calor). De esta manera el calor que se capta dentro, se cede en el exterior.

Vamos a ver el circuito paso por paso.

La primera fase está formada por el compresor, un motor que comprime el gas refrigerante a altas presiones, provocando que aumente su temperatura. Este motor es el que produce el ruido característico de la nevera cuando está en funcionamiento.

Una vez comprimido el gas se hace circular por el condensador, una tubería fina, en forma de eses, que los frigoríficos antiguos tenían situada en la parte trasera exterior. Su función es disipar el calor que posee el gas a alta presión que sale del condensador, y trasladarlo al aire de la habitación. Como consecuencia de esta cesión de calor, el gas refrigerante se licua, manteniéndose a alta presión.

Este líquido a alta presión atraviesa seguidamente una válvula de expansión. Podemos imaginarnos esta válvula como un pequeño agujero, a un lado del cual se encuentra el líquido a alta presión, mientras que al otro lado la presión es mucho más baja (debido a que el compresor está absorbiendo el gas por el otro extremo). El efecto que se produce en el líquido al atravesar la válvula es el mismo que el que producíamos nosotros al tirar del émbolo de la jeringuilla, o que el que conseguía W. Cullen con la máquina de vacío: el refrigerante entra en ebullición y se vuelve a convertir en gas.

Este cambio de estado tiene lugar ya en el interior de la nevera, en otra parte del circuito llamada evaporador, también en forma de eses. El calor necesario para que se produzca es cedido por el aire que hay en el interior del frigorífico, de manera que baja su temperatura, manteniendo los alimentos frescos.

El gas refrigerante frío es absorbido de nuevo por el compresor, dando lugar a un nuevo ciclo: el gas se comprime y se calienta; ese calor es cedido al aire de la habitación, provocando que el gas se licue; después de atravesar la válvula de expansión el líquido se evapora, captando calor del interior de la nevera y bajando por tanto su temperatura; y vuelta a empezar… “cogiendo” calor del interior de la nevera y “soltándolo” en el exterior.

Podemos comprobar que el aumento de la presión que produce el compresor tiene como efecto un aumento en la temperatura realizando un sencillo experimento: colocamos la palma de la mano a unos 2 centímetros de nuestra boca, y pronunciamos sucesivamente la letra “i” y la letra “o”. ¿Qué observamos? Al decir la “i” sentimos frío en la mano, y al decir la “o” sentimos calor. Esto se debe a que para pronunciar esta última letra nuestras cuerdas vocales comprimen el aire que pasa por ellas, aumentando su temperatura.

Pero lo vamos a entender todo mucho mejor si construimos nosotros mismos una nevera. Lo único que necesitaremos para este nuevo experimento es un globo largo, de los que se utilizan en globoflexia.

Primero llenaremos el globo sólo con el aire que cabe dentro sin que llegue a inflarse, y lo ataremos bien para que no se escape el aire introducido. Con el fin de comprobar el funcionamiento de nuestra nevera vamos a utilizar como termómetro nuestros labios, que son la parte de nuestro cuerpo más sensible a los cambios de temperatura. Así pues, comprobaremos ahora la temperatura del globo.

En la primera fase del ciclo debemos comprimir el aire del interior, y para ello tiraremos de los extremos del globo todo lo que podamos. Utilizando los labios podremos comprobar que el aire se ha calentado. Debemos dejar unos segundos para que el globo estirado vaya disipando el calor en el aire de la habitación.

La siguiente fase es la de expansión, así pues devolveremos el globo a su longitud original, permitiendo que se expanda el aire de su interior. Tras acercar nuestros labios para medir la temperatura podremos comprobar que efectivamente el globo se ha enfriado.

Acabamos de reproducir así el ciclo de compresión/disipación del calor, expansión/enfriamiento, que nos permite conservar los alimentos frescos y sanos dentro de nuestra nevera.

6 Respuestas a “Paso a Paso – Como funciona un sistema de refrigeración”

  1. Leonardo dice :

    Excelente explicacion!
    Gracias

  2. Ciro dice :

    Compa, el artículo está muy interesante. Para la próxima no digás que es muy largo, así predisponés a la gente.

    Buena energía.

  3. isaac dice :

    muy bien explicado gracias!, unque yo buscaba sabes un poco mas del refrigeracion moderna.

  4. Anónimo dice :

    muy bueno nesecitaba escribir un reporte de 30 pag y escrbi 35

  5. Anónimo dice :

    gracias me ayudo a tener un 50 en fisica

  6. luis lantigua dice :

    Bueno me gusta es muy explicativo

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