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¿Quién lo inventó?

No se puede decir que el frigorífico lo inventara una sola persona. Muchas personas crearon distintos tipos de frigoríficos entre 1847 y 1910, cuando se generalizaron los frigoríficos domésticos.

¿Cómo se alimenta?

El principal componente de un frigorífico que necesita energía es el compresor (véase más abajo). Se trata básicamente de una bomba accionada por un motor. El motor puede funcionar con electricidad (como en un frigorífico doméstico) o con otra fuente de energía (por ejemplo, el motor de un vehículo proporciona energía al compresor del sistema de aire acondicionado).

¿Cómo funciona?

El ciclo básico de refrigeración

En la figura de la derecha se muestra el ciclo básico de refrigeración. Puede ver que un sistema de refrigeración básico consta de cuatro componentes principales. Todos estos componentes trabajan juntos para cambiar el estado del refrigerante en la tubería. Hablemos de lo que hacen estos componentes.

Evaporador

Es el elemento que elimina el calor de lo que se intenta enfriar. En el caso de un sistema de aire acondicionado, suele ser el aire de una habitación. Cuando el refrigerante a baja temperatura pasa por el evaporador, absorbe el calor del aire de la habitación y se convierte en vapor o gas a baja presión. Este proceso reduce la temperatura del aire de la habitación y ésta se enfría. Este aire frío circula entonces de un lado a otro de la habitación mediante ventiladores, proporcionando así confort a los ocupantes.

El evaporador funciona de forma similar a cuando se pone una pequeña cantidad de alcohol en la mano y se deja que se evapore. El calor de la mano hace que el líquido se convierta en gas, absorbiendo energía en el proceso y haciendo que la mano se sienta más fría. Los aparatos de aire acondicionado y otros equipos de refrigeración hacen lo mismo, pero a una escala mucho mayor. Sin embargo, a diferencia del alcohol para frotar en la mano, el ciclo de refrigeración comenzará a convertir este gas evaporado de nuevo en líquido en nuestra próxima parada, el "compresor".

Compresor

Un compresor es una máquina que puede tomar una sustancia y presurizarla forzándola a entrar en un espacio reducido. Piensa en la bomba de bicicleta que puedes utilizar para rellenar las ruedas de tu bici: utiliza tu energía muscular para comprimir el aire en un volumen más pequeño.

Ahora bien, si bombeas las ruedas durante un rato y colocas la mano cerca de la parte en la que la manguera de aire se conecta a la bombona, puede que la sientas bastante caliente. Este es el resultado de comprimir un gas en un espacio más pequeño: se libera calor.

En un compresor, un potente motor acciona un pistón o un ventilador de alta velocidad (llamado impulsor) que comprime el gas vaporizado a una presión mucho mayor. Pero, ¿por qué es necesario para el aire acondicionado o la refrigeración? Tras absorber el calor del aire ambiente (y enfriarlo así), el refrigerante pierde presión para mantener su volumen. Este refrigerante a baja presión puede causar problemas de circulación en el sistema y también hacer que el condensador trabaje de forma muy ineficiente. Por lo tanto, en esta etapa, el compresor aumenta su presión comprimiéndolo y elevando así aún más su temperatura.

Entonces, ¿cómo nos deshacemos de todo este calor? No es bueno devolverlo a la habitación que queremos enfriar. Así, liberamos este gas caliente a donde pertenece en nuestro siguiente componente, llamado "condensador".

Condensador

Compresor (abajo) e intercambiador de calor o condensador (arriba) en la pared trasera de un frigorífico

Esta es la etapa en la que el gas caliente a alta presión que sale del compresor fluye hacia una serie de tubos apilados llamados "condensador". Suele colocarse en otro lugar, lejos del lugar a refrigerar (como en el exterior). Una buena ventilación, ya sea por convección, aire forzado (ventiladores) o incluso agua, sirve para mantener frío este conjunto de tuberías y así poder deshacernos de todo el calor acumulado hasta el momento. Esencialmente, el propósito del condensador es transformar el refrigerante vaporizado caliente de nuevo en un líquido más frío para que el ciclo de refrigeración pueda comenzar de nuevo.

Algo que puedes observar de forma similar a un condensador es cómo una cuchara de metal fría colocada sobre una olla hirviendo acumula pequeñas gotas de agua durante un periodo de tiempo. Esto se debe a que la superficie más fría de la cuchara reducirá la temperatura del vapor cercano y hará que las moléculas de agua se acerquen unas a otras, convirtiendo así el vapor de nuevo en líquido. Durante este proceso se libera energía térmica, lo que hace que la cuchara se caliente.

Queda un último paso antes de que el proceso de enfriamiento pueda comenzar de nuevo en el evaporador: la válvula de expansión térmica.

Válvula de expansión térmica

Diagrama de la construcción general de una válvula de expansión termostática.

Hasta ahora, el refrigerante ha sido un líquido a baja presión, un vapor a baja presión, un vapor a alta presión y, finalmente, un líquido a alta presión. Ahora necesitamos una forma de sacar del sistema toda esa presión que ha creado el compresor. Aquí es donde entra en juego la válvula de expansión. Permite que el refrigerante se expanda y pierda su presión, lo que también provoca una drástica reducción de la temperatura. Ahora el refrigerante vuelve a ser un líquido a baja presión y baja temperatura, ¡listo para volver a pasar por el evaporador y enfriar más aire!

La válvula de expansión térmica es un paso muy importante en el proceso de refrigeración. Piensa en ella como una especie de orificio cuidadosamente perforado que separa un lugar de alta presión de otro de baja presión. El líquido de alta presión (ahora frío), que sale del condensador, se esfuerza mucho por atravesar un espacio tan pequeño hacia el evaporador, donde puede volver a hervir y absorber calor. Sin embargo, si no existiera el orificio y en su lugar se colocara una tubería normal, no habría diferencia de presión y no se produciría refrigeración.

Por ello, los fabricantes de aparatos de aire acondicionado, frigoríficos y otros equipos similares deben elegir cuidadosamente el tamaño adecuado de la válvula de expansión para que se establezcan las presiones correctas. Si la diferencia es demasiado grande (es decir, un orificio demasiado pequeño), el compresor podría sobrecalentarse, el evaporador podría helarse y podrían producirse otros problemas desagradables. Si la diferencia es demasiado pequeña (un orificio más grande), no habrá suficiente refrigeración.

El dilema del tamaño de la válvula de expansión térmica podría resolverse en los grandes sistemas de refrigeración colocando un "bulbo térmico" especial cerca de la parte donde el evaporador se conecta al compresor. Un tubo largo y fino conecta el bulbo a un gran diafragma montado en el cuerpo de la válvula, que controla el tamaño del orificio.

El bulbo térmico contiene una mezcla de varios líquidos que hace que actúe de forma muy parecida a un termómetro de alcohol tradicional que podrías haber usado cuando te pones enfermo. Esencialmente, su propósito es indicar a la válvula cuándo la temperatura del evaporador es demasiado baja (esto significa que el orificio es demasiado pequeño), o cuándo la temperatura del evaporador es demasiado alta (el orificio es ahora demasiado grande), y cambiar el tamaño del orificio para que se produzca el efecto contrario.

Dado que la temperatura de casi todas las piezas del sistema de refrigeración está siempre subiendo y bajando, el trabajo de la válvula de expansión térmica "gobierna" todo el conjunto para enfriar a la temperatura correcta... todo el tiempo.

Ahora ya sabes

Los ciclos de refrigeración convencionales utilizan diferentes efectos físicos para enfriar las cosas. Imagen superior: Cuando un gas se comprime (2), se calienta, pero si se enfría y luego se deja expandir (3), su temperatura desciende mucho menos de lo que estaba originalmente (4); este principio mantiene fríos los alimentos en el frigorífico de casa.

Ya conoces los principios básicos del ciclo de refrigeración. Estos principios pueden aplicarse a prácticamente cualquier sistema de refrigeración: el coche de tus padres, los aparatos de aire acondicionado de tu casa y de tu colegio, tu frigorífico/congelador, ¡e incluso a cosas tan curiosas como las máquinas de refrescos y helados! Sin refrigeración, estaríamos muy incómodos y no podríamos evitar que las cosas se calentaran demasiado.

¿Es peligroso?

Los refrigerantes de los antiguos frigoríficos y aparatos de aire acondicionado eran perjudiciales para el medio ambiente. El refrigerante más utilizado hoy en día no es tóxico, pero debido a su densidad desplaza el oxígeno y puede provocar asfixia si se libera en una habitación hermética.

¿Qué hace?

Una unidad de aire acondicionado

Reduce la temperatura de un espacio.

¿Cómo varía?

Tamaño

Los sistemas de refrigeración pueden variar de tamaño, desde las "neveras de dormitorio" más pequeñas destinadas a uso universitario y de oficina, hasta las gigantescas torres de refrigeración de los edificios industriales. Aun así, sus procesos son bastante similares; sólo las piezas difieren en tamaño la mayoría de las veces.

Sistema de aire acondicionado para automóviles

Por ejemplo, los pequeños compresores de pistón para congeladores pueden tener el tamaño de un balón de fútbol en un frigorífico normal, utilizar la corriente doméstica normal de 220 voltios y funcionar con un motor de 1/10 de caballos de potencia. Los compresores centrífugos más grandes utilizados en la refrigeración de grandes edificios pueden ser tan grandes como un autobús, funcionar con corriente trifásica de 480 voltios y utilizar varios motores de más de mil caballos de potencia cada uno.

Torres de refrigeración de instalaciones de almacenaje

Los condensadores son también otra parte que puede diferir enormemente en tamaño. Los condensadores de los frigoríficos de dormitorio miden entre 12 y 16 pulgadas de ancho y alto, y contienen quizás sólo unos pocos cm de tubo de cobre. Esto se debe a que la cantidad de calor que hay que eliminar de un espacio tan pequeño es mínima. Por otro lado, los sistemas de condensadores industriales suelen estar formados por muchas pilas de tubos llenos de refrigerante encerrados en bidones muy grandes por los que circula mucha agua (o una mezcla de agua y una especie de anticongelante). Esta "agua de refrigeración" se bombea a una torre de refrigeración separada en el exterior (las más grandes pueden parecerse a las torres de refrigeración de los reactores nucleares), donde fluye a través de canaletas mientras el aire de grandes ventiladores dispersa el calor a la atmósfera. A continuación, el agua vuelve a circular por bombas hasta el tambor de condensación.

Tecnología

Un refrigerador por absorción de vapor

Ilustración de un refrigerador por evaporación

Existe otra tecnología mediante la cual se consigue la refrigeración (enfriamiento). Se denomina proceso de absorción de vapor.

En esta tecnología se utilizan dos fluidos como refrigerante. Uno de ellos en forma de gas y otro en forma líquida. La principal propiedad del líquido empleado es su capacidad para absorber el gas.

En la habitación donde se va a refrigerar, el gas (vapor) es absorbido por el líquido, creando una presión y una temperatura bajas. Una vez que el líquido está saturado de vapor, se transfiere al serpentín situado fuera de la habitación. Aquí la temperatura es alta y a mayor temperatura el líquido libera el vapor.

¿Cómo ha cambiado el mundo?

Los frigoríficos nos permiten conservar los alimentos durante más tiempo; ¿cómo se evitaría que los helados se derritieran en verano si no tuviéramos frigoríficos? El aire acondicionado nos permite enfriar las casas y los edificios en verano, reduciendo las posibilidades de insolación.

¿Qué idea(s) y/o inventos tuvieron que desarrollarse antes de su creación?

Los sistemas de aire acondicionado son sorprendentemente fáciles de entender. El ciclo del refrigerante puede ser un ejemplo muy emocionante de lo útil que puede ser cambiar la materia. La refrigeración nos permite vivir nuestra vida de forma más cómoda y rentable. Con un par de conceptos básicos puedes estar en camino de saberlo todo sobre AC&R, aire acondicionado y refrigeración, en muy poco tiempo.

Transferencia de calor

Formas de transferencia del calor

Es importante recordar que los sistemas de aire acondicionado no enfrían el aire que pasa a través de ellos, sino que le quitan el calor. Cada vez que dos objetos se colocan uno cerca del otro, tienden a igualar sus respectivas temperaturas. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápidamente se produce esta transferencia de calor. La transferencia de calor se produce siempre de un objeto caliente a un objeto frío. La transferencia de calor se produce por una de estas tres vías: radiación, convección y conducción.

Radiación

Se habla de radiación cuando el calor se desplaza a través de una superficie sin que ésta entre en contacto con el origen del calor. Por ejemplo, si hay fuego en la chimenea, el fuego irradiará calor y podrás sentirlo si estás cerca, aunque no lo estés tocando.

Convección

La convección es la circulación natural del calor. Es posible que ya sepa que el aire caliente asciende y el aire frío se hunde. Este proceso se conoce como convección. Muchos objetos que usamos a diario utilizan este principio, por ejemplo, un horno. Los alimentos se colocan en el centro de un horno con elementos calefactores en la parte inferior. Los elementos calientan el aire y éste sube hasta que se enfría lo suficiente como para empezar a hundirse, donde es calentado de nuevo por los elementos, creando así una circulación del aire dentro del horno.

Conducción

La conducción es probablemente la forma de transferencia de calor con la que está más familiarizado. La conducción se produce cuando dos materiales entran en contacto. Por ejemplo, si ponemos la mano sobre una placa caliente. Al entrar en contacto directo con la placa, el calor se transfiere a la mano, que está mucho más fría.

Ahora ya conocemos los principios básicos de la transferencia de calor, el concepto más importante a la hora de aprender cómo funciona un sistema de aire acondicionado.

Estados de la materia

Antes de continuar, repasaremos los estados de la materia y cómo se relacionan entre sí. La materia existe en cuatro estados: sólido, líquido, gas y plasma.

La materia puede cambiar de estado cuando se produce una transferencia de calor. Si se calienta un líquido, puede convertirse en gas. Por ejemplo, el agua existe en tres estados: sólido (hielo), líquido y gaseoso (agua evaporada). Al calentar un bloque de hielo, éste se derrite y se convierte en líquido. Cuando calientas el líquido, se convierte en un vapor que puede observarse como vapor.

La presión genera calor

Cuando la materia se comprime, su temperatura aumenta. A la inversa, cuando se libera presión de la materia, la temperatura de ésta disminuye. Esto puede observarse con un bote de aerosol. Al expulsar la materia del recipiente, lo que reduce la presión del contenido del mismo, la temperatura del recipiente disminuye.

Refrigerante

Un recipiente con refrigerante

Recipientes de refrigerantes

El refrigerante es un compuesto incoloro que se utiliza en sistemas de aire acondicionado y refrigeración por sus propiedades temporales únicas. El tipo más utilizado es el R-134a. En el pasado eran comunes el R-12 y el R-22, pero su uso se interrumpió cuando se descubrió que, al liberarse a la atmósfera, tenían un efecto adverso sobre el medio ambiente.

El refrigerante pasa de gas a líquido y viceversa muchas veces a lo largo del ciclo básico del refrigerante. El refrigerante es naturalmente muy frío. De hecho, ¡su punto de ebullición es de sólo -26,08°C, o -14,94°F (A presión atmosférica, normalmente 101,4 kPa. ) Esta propiedad lo hace ideal para su uso en refrigeración.

Su capacidad para mantener bajas temperaturas en estado líquido le permite absorber una gran cantidad de calor del aire que le rodea. Nunca se debe manipular refrigerante, puede ser muy peligroso si no se está capacitado para usarlo. Cuando el refrigerante entra en contacto con una llama puede descomponerse en gases que pueden ser nocivos si se inhalan.