Clase digital 1. Ciclo de refrigeración

Ciclo de refrigeración

Introducción

¡Hola!

¡Qué alegría saber que vas a comenzar un proceso educativo! Me satisface encontrar a personas dedicadas y motivadas en aprender cosas nuevas, así es que no te vas a arrepentir, tus esfuerzos serán recompensados. Con mucho ánimo te doy la bienvenida a esta Unidad de Aprendizaje preparada para ti, espero sea de tu agrado.

En esta primera sesión de la UDA Ingeniería del Frío, revisaremos en primera instancia, la evolución de la refrigeración en el mundo y las diferentes tecnologías que existen actualmente para la generación de frío.

En esta sección, podrás darte cuenta de que a pesar de que hay varias maneras de producir condiciones de frío, existe una tecnología que domina a las demás y que, a pesar de que tiene más de un siglo de haberse implementado, sigue siendo la más utilizada debido a su practicidad, economía y eficiencia energética. Esta es la tecnología de refrigeración por compresión de vapor la cual, como ya lo has visto en tu curso de Termodinámica, se presenta a manera de ciclo.

Es así que, en este punto, se revisarán, entre otras cosas, los elementos que conforman el ciclo de refrigeración, los estados termodinámicos por los cuales pasa el fluido de trabajo durante su trayecto por todo el ciclo y el análisis termodinámico de cada componente a manera de que puedas comprender un poco mejor el ciclo.

Finalmente, se presentarán algunas aplicaciones del ciclo en la industria y se mostrarán los principales avances en materia de ciclos que incluyen modificaciones para el incremento en el desempeño energético del ciclo básico.

Como puedes darte cuenta, el contenido de esta sesión va dirigido a que conozcas de mejor manera la tecnología por compresión de vapor desde el punto de vista termodinámico y sobre todo, para que puedas entender la manera en la cual se genera el frío ya que es una necesidad no solo en la industria alimenticia, sino en general, en todo el mundo.

En hora buena por haber decidido cursar esta UDA, ya que es muy seguro que en ella, aprenderás mucho.

Prosigamos.

¡Éxito!

Desarrollo del tema

Historia de la Refrigeración

Según Cabrera et al. (2008). “La refrigeración es una necesidad que el hombre ha tenido desde tiempos remotos. Se dice que el desarrollo de una sociedad sin refrigeración no está completa, ya que este elemento junto con el agua, se relacionan directamente con la disposición de comida”. Es así que, la refrigeración se ha venido desarrollando como una necesidad desde la antigua China hace ya más de mil años quienes tuvieron que implementar mecanismos y técnicas para poder mantener fríos productos perecederos. Otras culturas como la árabe y egipcia también se vieron en la necesidad de implementar mejoras para conservar productos alimenticios por más tiempo. Se tiene registro que utilizaban vasijas de barro con agua para conseguir hielo ya que con ello, observaron que los alimentos se conservaban por más tiempo. 

En la edad media, los musulmanes utilizaban sales y agua para generar hielo y sorbetes, lo cual representó un avance bastante significativo en materia de generación de frío, sin embargo, no fue hasta el siglo XVI en donde, con ayuda de la ciencia, se empezaron a construir los primeros prototipos en laboratorio que permitían generar frío y a partir del siglo XIX, el frío pudo ser generado ya en condiciones controladas. (Lezama, 2018,)

Evolución de la Refrigeración

Una vez que se pudieron controlar las condiciones a las cuales el frío se genera, los pasos que se dieron en el área de ingeniería del frío fueron de gigante. La evolución de esta área se ha manifestado de manera importante a partir del siglo XIX, en donde, con el advenimiento de la segunda guerra mundial, se desarrollaron tecnologías diversas para conseguir frío. La refrigeración por compresión de vapor es sin duda la tecnología más utilizada hoy en día debido a su practicidad, economía y eficiencia. Aunado a esto, existen otras tecnologías que se han venido desarrollando en décadas pasadas como lo son:

• Refrigeración por absorción,
• Refrigeración por adsorción,
• Refrigeración con materiales magnetocalóricos,
• Refrigeración con nanofluidos,
• Refrigeración mediante efecto peltier,

Las cuales representan avances significativos en materia de generación de frío. No obstante, a pesar de que todas ellas representan ventajas importantes respecto a la tecnología de compresión de vapor, los valores de desempeño energético aún están por debajo de los alcanzados por ésta. Aunado a esto, si bien las opciones que se han mostrado representan avances en materia de impacto ambiental, son tecnologías bastante costosas lo cual las posiciona en una situación de poca rentabilidad.

Refrigeración por Compresión de Vapor

La tecnología de refrigeración por compresión de vapor también conocida como refrigeración mecánica, tiene sus inicios en “1805 cuando Oliver Evans construyó la primera máquina utilizando vapor en lugar de líquido, basando su prototipo en la expansión de un fluido mediante su evaporación” (Bernard, J. 2022) 

La refrigeración mecánica ha ido evolucionando con el paso del tiempo en cuestión de fluidos de trabajo, los cuales son considerados como la sangre que circula en un sistema de compresión de vapor. La refrigeración por compresión de vapor se presenta mediante el ciclo termodinámica de refrigeración y consta de cuatro estados por los cuales el fluido pasa en el ciclo, dichos estados son: compresión, condensación, expansión y evaporación.

En cada estado se encuentra presente un componente que genera cada uno de los procesos mencionados, los cuales son:

• Compresor,
• Condensador,
• Dispositivo de expansión y,
• Evaporador.

A continuación se describe cada uno de los componentes de manera individual.

Compresor

Es el corazón de un sistema de compresión de vapor. Este componente se encarga de bombear el fluido que trasiega sobre todo el sistema para conseguir moverlo en los demás componentes que se mencionaron anteriormente. El compresor comprime el fluido refrigerante desde una fase vapor y lo entrega como vapor sobrecalentado a su salida. La entrada y la salida de este equipo se conocen en el ciclo como succión y descarga. El símbolo en una instalación de refrigeración para este componente es el que se muestra en la Imagen 1.

Condensador

En este componente, el refrigerante proveniente del compresor, baja su temperatura y mantiene su presión. A la salida del condensador, el refrigerante cambia su estado termodinámico de vapor sobrecalentado a líquido saturado. La condensación se puede llevar a cabo de diferentes maneras, siendo la más económica aquella que se obtiene por transferencia de calor por convección natural. Existen sistemas que condensan el refrigerante en condensadores que utilizan convección forzada, y de hecho, cuando este es el caso, el condensador reduce su tamaño. Las entradas y las salidas en un condensador son llamadas simplemente así, entrada y salida del condensador. Dado que este equipo es simplemente un intercambiador de calor, su símbolo es representado muchas veces como se muestra en la Figura 2a. Sin embargo, cuando el condensador está implementado en un refrigerador, una forma muy típica de encontrar el símbolo del condensador es como el de la Figura 2b. Cabe mencionar que este condensador opera en convección natural.
Imagen 2.

Dispositivo de expansión

El dispositivo de expansión en un ciclo de refrigeración es el encargado de regular el flujo de refrigerante. Su función es bajar la presión del fluido de trabajo y con ello su temperatura. Una vez que el refrigerante sale del condensador como líquido saturado, éste ingresa al dispositivo de expansión para convertirlo en mezcla líquido-vapor con una calidad específica. Existen diferentes dispositivos que permiten una expansión para el refrigerante, dichos dispositivos son los siguientes:

• Válvula de expansión,
• Tubo capilar,
• Turbina,
• Tubo corto,
• Tubo vortex,
• Eyector,

De los dispositivos mencionados, la aplicación tiene mucho que ver para la selección del dispositivo. Por ejemplo, en refrigeración doméstica, el tubo capilar es el más utilizado. A menudo se relaciona más el uso de una válvula de expansión en textos de termodinámica, porque es el que representa una mayor practicidad.

En un curso de refrigeración mecánica se describirán a detalle cada uno de estos dispositivos. Por el momento en esta sesión sólo mencionaremos que el dispositivo de expansión como la válvula de expansión, genera un proceso de estrangulamiento para reducir la presión y este proceso se lleva a cabo de manera isoentálpica, lo que significa que la entalpía a la salida del condensador se mantiene constante y la mezcla líquido-vapor sale de la válvula de expansión con la misma entalpía con la que ingresó.

El símbolo de la válvula de expansión es el que se muestra en la Figura 3. Cabe mencionar que la válvula de expansión puede controlar, además del flujo, el grado de sobrecalentamiento del refrigerante a la salida del evaporador. Este control puede ser realizado ya sea mecánicamente mediante un husillo, o electrónicamente mediante un sensor de temperatura y presión que se coloca en el sistema una vez que se ha implementado la válvula en el ciclo de refrigeración.

Evaporador

El cuarto elemento que constituye al ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el evaporador. Este componente, como su nombre lo indica, se encarga de evaporar el refrigerante proveniente de la válvula de expansión. La finalidad de esta evaporación es entregar al compresor fluido 100% en forma de gas, por lo que es muy importante que el evaporador haga su función, o de lo contrario, el compresor presentará problemas de funcionamiento. El símbolo, al igual que para el condensador, es simplemente el de un intercambiador de calor (Imagen 4).

Termodinámica del ciclo de refrigeración por compresión de vapor

El ciclo de refrigeración, como ya se mencionó anteriormente se compone de cuatro elementos básicos: Compresor, Condensador, Dispositivo de Expansión y Evaporador. Estos cuatro elementos tienen una función esencial en el ciclo de manera que gracias a ellos, se puede conseguir el frío. Termodinámicamente, el ciclo de refrigeración está compuesto por cuatro estados de termodinámicos: Compresión (1-2), Condensación (2-3), Expansión (3-4) y Evaporación (4-1), estos estados se muestran en el diagrama ph de la Imagen 5.

Nota: a) Esquema del ciclo, b) diagrama ph del ciclo.

El ciclo conformado por cuatro puntos (1 a 4), funciona de la siguiente manera: Refrigerante en forma de gas entra al compresor a temperatura y presión bajas (1), aquí sufre un incremento en la temperatura debido a la compresión que se genera en este componente. A su salida, las propiedades termodinámicas cambian ya que el refrigerante se encuentra ahora en vapor sobrecalentado. Posteriormente, el ingreso al condensador se presenta en condiciones de alta presión y temperatura (2), es aquí donde el segundo componente condensa el refrigerante, bajando la temperatura del mismo pero manteniendo su presión. El fluido sale de este componente en condiciones de líquido saturado (3). En esta condición, el fluido ingresa al dispositivo de expansión para reducir su presión y temperatura y entregar el frigorígeno como mezcla líquido-vapor al siguiente componente (4). El evaporador finalmente, evapora esta mezcla de refrigerante para convertirlo en vapor saturado (1) que es en la condición a la cual ingresará al compresor, por lo cual, a partir de este proceso el ciclo se vuelve a repetir.

El análisis del ciclo de refrigeración por compresión de vapor se realiza mediante balances de energía. La Tabla 1 muestra las ecuaciones utilizadas para el análisis de cada componente en el ciclo. Aquí se deben tener en cuenta las siguientes suposiciones:

• El compresor, trabaja mediante un proceso isoentrópico, es decir, a entropía constante.
• En el condensador y en el evaporador, la caída de presión es despreciable.
• El proceso de estrangulación llevado a cabo en el dispositivo de expansión (válvula de expansión) se considera isoentálpico, es decir, a entalpía constante.
• El condensador convierte el refrigerante en líquido saturado, con calidad 0.
• El evaporador convierte el refrigerante en vapor saturado, con calidad 1.

Tabla 1. Ecuaciones características para cada componente en el ciclo de refrigeración mecánica.

Aunado a estas ecuaciones, el ciclo en todo momento debe cumplir el balance de energía general, el cual es:

Cabe mencionar que los signos de los flujos de energía (calor y trabajo) son los mismos que los que se consideran en la primera Ley de la Termodinámica.

El parámetro que mide el desempeño energético del ciclo es el COP, el cual está en función del efecto de refrigeración y del trabajo específico que realiza el compresor,

Además estas ecuaciones, es posible que se utilicen otras, dependiendo del tipo de problema al que se esté enfrentando el estudiante, en cada caso, se revisarán los conceptos termodinámicos adquiridos previamente en el curso de Termodinámica.

El efecto refrigerante se define como la diferencia en la entalpía a la salida y a la entrada del evaporador, este efecto tiene unidades de kJ/kg. El trabajo realizado por el compresor es el específico y también tiene unidades de kJ/kg; su definición es simplemente la diferencia entre las entalpías de la salida y la entrada en el mismo componente.

En apoyo de tu aprendizaje te invito a ver los siguientes videos:

Conclusión

En conclusión, la refrigeración mecánica es una necesidad para el ser humano. Hoy en día, es imprescindible contar con un equipo de refrigeración en la sociedad, debido a que este equipo ayuda para la conservación de alimentos. Otra aplicación que tiene la refrigeración es la conservación de vacunas, manteniendo el biológico a temperaturas cercanas a cero grados Celsius, es posible tenerlas disponibles por mayor tiempo. En esta primera clase se han aprendido varias cosas, y, a manera de conclusiones se pueden citar las siguientes:

• El ciclo de refrigeración por compresión de vapor también es conocido como ciclo de refrigeración mecánica.
• El ciclo de refrigeración está formado por cuatro componentes básicos: Compresor, Condensador, Dispositivo de Expansión y Evaporador.
• Los cuatro procesos que se llevan a cabo en un ciclo de refrigeración mecánica son: Compresión, Condensación, Expansión y Evaporación.
• El análisis del ciclo de refrigeración por compresión de vapor se lleva a cabo mediante balances de energía en cada uno de los componentes del ciclo y además, se debe siempre comprobar que el balance de energía general debe ser satisfecho.

Esta primera sesión es el preámbulo de las siguientes clases, en donde se revisarán ejemplos de aplicación del ciclo de refrigeración, así como una herramienta muy importante como lo es el diagrama de Mollier. También es importante mencionar que el ciclo opera con la ayuda de refrigerantes, los cuales son fluidos que tienen la capacidad de absorber calor. En la siguiente clase, se abordarán las propiedades de los refrigerantes así como su historia y otras características que se deben tener en cuenta.

Con esto llegamos al final de la sesión, ¿Qué te pareció? Espero que muy bien pues de aquí partimos para entender lo siguiente. Para concluir adecuadamente la clase, se debe cumplir con las tareas propuestas para demostrar tu aprendizaje y seguir avanzando en tu  curso. Te espero en la segunda sesión, hasta pronto.

Fuentes de información

Cabrera Cifuentes, G., & Muñoz Muñoz, D. (2008). Aspectos básicos de refrigeración para la industria, Biotecnología en el sector agropecuario y agroindustrial. vol. 6, no. 2, pp. 86-93.
ASPECTOS BÁSICOS DE REFRIGERACIóN PARA LA AGROINDUSTRIA BASIC ASPECTS OF REFRIGERATION FOR THE AGROINDUSTRY

Lezama, T. (2018). Historia de la Refrigeración: Una breve reseña y su importancia para el hombre. (Junio 2022)

Historia de la refrigeración: Una breve reseña a través del tiempo

José Bernard S.L. Historia de la refrigeración: De la prehistoria a la actualidad, (Junio 2022). Historia de la Refrigeración ❄.