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Máquinas térmicas de refrigeración
INTRODUCCIÓN Refrigerar suele ser sinónimo de enfriar, pero aquí se hará una clara distinción entre ambas ideas, reservando la de refrigeración para cuando el enfriamiento ocurre a temperaturas por debajo de la atmosférica (en ambos casos se trata de extraer calor del sistema, pero la refrigeración así entendida requiere el aporte de energía del exterior, mientras que el enfriamiento podría conseguirse simplemente dejando el sistema caliente en contacto con la atmósfera (aunque muchas veces también se aporte energía del exterior para acelerar este enfriamiento). Dado que el mundo en que vivimos no está en equilibrio termodinámico, se pueden conseguir temperaturas inferiores a las del ambiente en un instante y un lugar dado por medios naturales, simplemente trayendo el 'frío' desde lugares más fríos (en el siglo XIX se exportaba hielo desde la bahía de Hudson a todo el mundo), o desde el mismo lugar y tiempos más fríos (guardando la nieve del invierno hasta el verano, o haciendo hielo en noches frías al relente). Todos estos métodos de preservar sistemas a baja temperatura estaban condicionados a la disposición de una buena envoltura aislante, que normalmente era paja o serrín, con espesores típicos de un metro.
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1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS Históricamente la refrigeración con hielo o nieve natural se practicaba desde la más remota antigüedad, en Mesopotamia, para fines lúdicos (fiestas cortesanas) y terapéuticos. En cuanto a la refrigeración artificial, en 1755 un profesor de química en Edimburgo (W. Cullen) logró producir hielo por contacto con un recipiente con éter que era aspirado con una bomba de vacío. Pero el problema era que el sistema sólo funcionaba mientras quedaba éter. Fue J. Perkins quien en 1834 patentó en Londres el primer frigorífico de compresión de vapor, funcionando también con éter. La ventaja del éter es que, siendo líquido a temperatura ambiente, tiene una presión de vapor relativamente alta (59 kPa a 20 OC, P.e. frente a 2,3 kPa para el agua a 20 OC), por lo que cuesta poco aspirarlo, aunque al tener que trabajar en depresión es fácil que entre aire y se formen mezclas explosivas. Por esta razón, posteriormente empezaron a usarse gases comprimidos: primero dióxido de azufre, cuya presión de saturación a 20 OC es de 320 kPa, aunque es altamente tóxico; luego amoníaco (Linde-1870), cuya presión de saturación a 20 OC es de 850 kPa, aunque es irritante; y por último dióxido de carbono, que aunque es inocuo, tiene tan elevada presión de saturación (5600 KPa a 20 OC) que da lugar a problemas mecánicos (pese a ello, ha sido la sustancia de trabajo más utilizada para refrigeración en barcos, por razones de seguridad). La refrigeración por expansión de aire se desarrolló también en el siglo XIX. Ya en 1828 Trevithick describió una máquina de expansión de aire comprimido, previamente enfriado al ambiente, en un pistón, y Gorrie en 1844 en Florida construyó máquinas segun este principio, correspondiente al ciclo Brayton. En 1857, Siemens sugirió utilizar una simple expansión isentálpica (sin realización de trabajo) que, aunque diese lugar a una pequeña disminución de temperatura (=2,5 K por MPa) podría multiplicarse con numerosos pasos en un cambiador de calor a contracorriente. Aunque en 1862 Kirk produjo una máquina refrigerante basada en un ciclo Stirling, que es termodinámicamente superior al ciclo Brayton, sólo en nuestros días se ha vuelto a considerar este tipo de ciclos, sobre todo para la refrigeración criogénica. En 1880 se consiguió por primera vez transportar carne congelada desde Australia hasta I nglaterra (en el barco Strathleven) usando una máquina de aire con émbolos acoplados a la máquina de vapor del buque. Sin embargo, todos estos fluidos refrigerantes fueron siendo desplazados con la llegada, hacia 1930, de los fluidos refrigerantes sintéticos a base de hidrocarburos halogenados (también llamados compuestos cloro-fluoro-carbonados, o cloro-fluorocarbonos, o simplemente CFC), principalmente el dicloro-diflúor-metano, CC12F2 o R12 comercializados por la compañía Du Pont bajo el nombre de freones, los cuales son químicamente inertes, se consideraban biológicamente inocuos (hasta que en los años 70 se descubrió que descomponían el 'paraguas' de la capa de ozono terrestre que protege la vida contra las radiaciones ionizantes), y presentaban buenas propiedades termodinámicas (p.e. la presión de saturación del R- 12 a 20 OC es de 565 kPa. Todas las máquinas refrigerantes basadas en la vaporización de un líquido funcionan de manera análoga: el líquido tiende a enfriarse por la vaporización y puede extraer calor de una carga, pero para que la máquina funcione cíclicamente es necesario reciclar el vapor producido y devolverlo a su- fase líquida, lo que se puede hacer por compresión mecánica del vapor, por compresión dinámica en un eyector, o por absorción y desorción química con otro fluido. Los refrigeradores más comunes son los de compresión mecánica de vapor. Los de absorción se usan cuando sólo se dispone de calor o éste es muy barato; los de chorro de vapor se usan cuando hay mucho vapor barato; los de ciclo de gas se usan en el acondicionamiento de cabinas de aviones; los termoeléctricos se usan cuando la baja eficiencia no es problema y la carga térmica es muy pequeña, y se desea un equipo diminuto y sin partes móviles. 2 Maquinaria e instrumentación industrial
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Parece que Lenz en 1838 consiguió hacer hielo por efecto Peltier con una unión bismuto/antimonio, pero es difícil conseguirlo porque los metales tienen poca potencia termoeléctrica, aunque tal vez se trataba de metales impuros y funcionaban en realidad como semiconductores. Es importante recalcar que en la refrigeración no hay transmisión de calor desde una temperatura baja a una alta, ya que esta transmisión de calor cuesta arriba sólo es posible en el caso raro de que existiera acoplamiento entre procesos disipativos .Lo que ocurre en realidad es que el foco frío cede calor a un fluido de trabajo que está todavía más frío y este fluido de trabajo sufre una transformación termodinámica (normalmente adiabática) que le hace pasar a una temperatura superior a la de la fuente caliente, y allí, también "cuesta abajo", cede calor a ésta. Este bombeo térmico puede utilizarse para extraer calor de una carga fría (objetivo interesante y difícil que, como se acaba de comentar, no consiguió el hombre hasta el siglo pasado) o para comunicar calor a una carga caliente (objetivo algo extravagante a primera vista, a juzgar por la sencillez de conseguirlo simplemente quemando un combustible). A primeros de este siglo sólo había grandes centrales frigoríficas industriales funcionando con NH3, SO2 o C02, que comercializaban barras de hielo, las cuales se usaban en las 'neveras' (recintos aislados donde el hielo enfriaba los alimentos y bebidas), y hasta 1950 no se comercializaron masivamente los pequeños frigoríficos domésticos (funcionando prácticamente todos con R-12 como fluido de trabajo; en refrigeración, el SO2 ya no se usa, el NH3 muy poco, y el C02 sólo para producir nieve carbónica (hielo seco)). Durante las últimas décadas, la refrigeración se ha extendido a casi toda la industria alimentaria, al acondicionamiento de habitáculos (aviones, barcos, automóviles, vehículos agrícolas) y otros materiales, y a muchas aplicaciones criogénicas (el nitrógeno líquido es uno de los consumibles corrientes en laboratorios industriales, hospitales y centros de investigación).
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2. PRINCIPIOS La Termodinámica enseña muchos procedimientos para lograr disminuir la temperatura de un sistema por debajo de la del ambiente, enseñando también que en todos los casos hace falta un aporte de energía para mantener esa condición de desequilibrio frente a la tendencia natural a la uniformización de la temperatura. Además, la Termodinámica enseña a calcular el valor mínimo de esa energía necesaria. Los procesos termodinámicos más usados para disminuir la temperatura sin transmisión de calor a un foco más frío son:
2.1. Disminución de la presión de vapor de un líquido volátil (aunque el mecanismo es igual para líquidos poco volátiles y para sólidos, el efecto regerante sería pequeño). Si se considera un sistema cerrado conteniendo éter puro (C2H50C2H5) a una temperatura atmosférica de 20 OC, en el equilibrio la presión en el interior será de 59 KPa, pero si ahora se aspiran los vapores con una bomba de vacío, el sistema deja de estar en equilibrio y el líquido tiende a generar vapor para alcanzar el equilibrio, que al final se alcanzará a la temperatura atmosférica y la misma presión, pero habiendo descendido un poco el nivel de líquido. Sin embargo, durante el proceso de relajación, si la transmitancia térmica de la frontera del sistema con la atmósfera no es muy grande, la entalpía necesaria para la vaporización ha de suministrarla el líquido a partir de su entalpía sensible, disminuyendo su temperatura, con lo cual, si hubiese otro sistema en contacto con el líquido también se enfriaría.
2.2. Expansión brusca de un gas o vapor (sobre todo si en ella se realiza trabajo). Es fácil comprender que si un gas encerrado a presión en un dispositivo cilindro-émbolo sufre una expansión brusca (que se podrá considerar adiabática), realizando un trabajo contra una carga (o simplemente acelerando el émbolo contra la presión atmosférica), su energía interna y por ende su temperatura habrá de disminuir para compensar el balance energético.
2.3. Mezclado endotérmico de sustancias apropiadas. Al mezclar hielo y sal, ambos a O OC, la mezcla puede disminuir su temperatura hasta -21 OC, si las proporciones son adecuada y la transmisión de calor al ambiente despreciable. También sabe que al mezclar adiabáticamente agua y aire a la misma temperatura ésta puede disminuir hasta la de saturación adibática.
2.4. Efecto Peltier , que es un flujo cruzado debido al acoplamiento de un gradiente térmico con un gradiente de potencial eléctrico de la misma dirección. Los correspondientes flujos primarios (flujo de calor de Fourier y flujo de comente de Ohm) son disipativos, pero el flujo transversal de calor debido al acoplamiento (que si no hay discontinuidades se llama efecto Thomson y es muy pequeño, y si hay discontinuidades de propiedades del material se llama efecto Peltier y es apreciable) es reversible, esto es, cambia de sentido al cambiar el sentido de uno de los gradientes aplicados.
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3. TIPOS 3.1. Frigoríficos de compresión de vapor La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante y producir el subenfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de
condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.
3.1.1. Ventajas. Las máquinas de compresión, al estar muy estudiadas y comercializadas, obtienen unos valores de COP muy elevados, entre 2 y 4, por lo que producen entre 2 y 4 veces más energía frigorífica que la energía eléctrica (o mecánica) que consumen. Esto hace que las máquinas de compresión resulten muy competitivas y económicas.
3.1.2. Inconvenientes. Las instalaciones de producción de frío por compresión de vapor suponen un alto porcentaje de consumo energético, y pueden suponer un alto impacto económico y medioambiental. Por un lado, el efecto invernadero indirecto asociado al origen de la energía utilizada, y por otro, el efecto directo asociado a las fugas de refrigerante cuando se utilizan refrigerantes con un elevado 5 Maquinaria e instrumentación industrial
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potencial de calentamiento mundial.
3.2. Frigoríficos de absorción El ciclo de refrigeración por absorción es un caso particular de los sistemas a sorción en donde participan por lo general dos fases, sea, entre un líquido y un vapor o entre un sólido y un vapor. El sistema de refrigeración por absorción, como su propio nombre indica es un medio de producir frio que aprovecha que las sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Se suele utilizar para energías de baja potencia, como la solar, por lo que es menos eficiente y su rendimiento es menor que el mecánico, aunque cabe destacar que a la larga en un uso diario saldría más barato. No contamina tanto como el mecánico respeta más el medio (por sus componentes). Carece de algunos elementos comparado con el mecánico, el compresor, por lo tanto no genera tanto ruido, pero hay que decir que ocupa mayor espacio es más grande. El mecanismo es el siguiente: Hay dos componentes uno de ellos suele ser agua y otro capaz de absorber a éste. El agua se evapora en el vaporizador y el líquido en cuestión que está en el absorbedor, lo absorbe (valga la redundancia), de ahí pasa al generador donde creará un trabajo, se separarán los materiales el agua pasa al condensador, (gas - > líquido), y mediante una válvula de expansión vuelve al vaporizador, mientras que el otro elemento (el que tiene la propiedad de absorber) pasa directamente al absorbedor y así se repetir una y otra vez. Cuando el “elemento” absorbe el agua crea frío, haciendo efecto sobre la estancia a la que quiera enfriar y cuando ha pasado por el generador y ha creado trabajo genera calor al medio.
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3.2.1. Ventajas
Los frigoríficos de absorción pueden utilizar varios tipos de energía, como la eléctrica, gas y queroseno. Pueden ser accionados por energía eléctrica CA o CC. Sin embargo, en el caso de la energía CC, se debe considerar la magnitud de la corriente. Por lo tanto, se recomienda no utilizar la energía CC en frigoríficos de alta potencia y de gran capacidad. Pueden utilizar gases combustibles. En teoría, cualquier tipo de gas combustible se puede utilizar como energía. Pero habitualmente se emplean el gas LP o el gas natural. Todos estos gases deben ser comprobados para determinar su presión y sus componentes y así garantizar un buen grado de combustión. Debido a sus requisitos de encendido y de chispa el único aceite que se puede emplear es el queroseno. El frigorífico de absorción es silencioso por lo que es muy utilizado en habitaciones de hotel, donde la gente busca un ambiente tranquilo
3.2.2. Inconvenientes
Gran consumo de energía pero se puede escoger una fuente de energía barata Como el calor se disipa continuamente en el ambiente mientras proporciona energía al frigorífico, el consumo térmico del frigorífico de absorción es superior comparado con el frigorífico de compresión que es muy utilizado en áreas con suficiente suministro de energía. Refrigeración inferior comparado con el frigorífico de compresión: Tras cientos de años de desarrollo, el rendimiento de los frigoríficos de absorción ha alcanzado un límite. En otras palabras, para este tipo de frigoríficos, ni los principales fabricantes en el sector puede superar los límites de temperatura mínima de -18° C en el congelador y de 0 ℃ 6℃ en el frigorífico. A pesar de la diferencia en el efecto de refrigeración comparado con los frigoríficos de compresión, el frigorífico de absorción es todavía capaz de satisfacer las necesidades básicas.
4. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE REFRIGERACIÓN 4.1. Refrigeración doméstica El campo de la refrigeración doméstica esta limitado a refrigeradores y congeladores domésticos. Debido a la gran cantidad y mercado de los mismos, ya integrados en los usos habituales del quehacer diario de la vida de las personas, la refrigeración doméstica representa una parte muy significativa de la industria de la construcción de equipos de refrigeración. Las unidades domésticas son de tamaño pequeño, teniéndose capacidades de potencia que fluctúan entre 1/5 de CV y 2 CV . 7 Maquinaria e instrumentación industrial
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Los compresores son del tipo hermético de pistones y/ o rotativos; las condensaciones por gravedad en las traseras de los equipos y los evaporadores, por gravedad con circuitos impresos y/o ventilados en los últimos modelos no frost. Los tipos de expansión por expansión directa de refrigerante por tubo capilar.
4.2. Refrigeración comercial La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al público en general, con lo que también se dedican a almacenamiento, muestra y/o manipulación de productos perecederos, con toda la complejidad que ello conlleva. Una característica esencial es el mueble frigorífico, que expone el producto perecedero, que puede ser abierto, al aire con cortina de aire y/o cerrado con puertas correderas y tapas, con temperaturas de +7/+10ºc, para frutas por ejemplo, hasta – 18/20ºC congelado con helados u otros productos. Las instalaciones que se pueden dar en este tipo de servicios es muy diverso y están entre medias entre la refrigeración comercial e industrial, pueden ser con expansión directa de refrigerante o bien con sistema indirecto de refrigeración de glicol. Los Fluidos refrigerantes a usar son t ipo freones y los sistemas de expansión y control pueden ser electrónicos o todo/nada; se están planteando ya instalaciones con fluidos ecológicos de gran tradición, como amoniaco, con inconvenientes en los locales de pública concurrencia; o el dióxido de carbono que por altas presiones se están probando en la actualidad. Las instalaciones se suelen hacer con compresores del tipo semihermetico de tornillo o alternativo según las necesidades de refrigeración, en una central frigorífica de varios compresores, de 3 a 6 unidades por central.
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4.3. Refrigeración industrial La refrigeración industrial son aplicaciones de refrigeración de alta, media, baja y muy baja temperatura, en compresión mecánica hasta –60ºC, que como regla general son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y la característica que las distingue es que requieren tener unos equipos de mayor potencia y con mayores seguridades que las unidades empleadas para los servicios de refrigeración comercial. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes plantas almacenadoras de alimentos (carne, pescado, pollos, alimentos congelados, etc), cervecerías, lecherías y plantas industriales, tales como refinerías de petróleo, plantas químicas, etc. El fluido a utilizar es en una gran medida amoniaco y los sistemas de refrigeración varios, simples y dobles etapas de compresión en los sistemas de muy baja temperatura, expansión directa de refrigerante, sistema inundado de refrigerante con bomba o gravedad y sistema indirecto cerrado con glicol como fluido secundario y amoniaco en primario. El dióxido de carbono en fluido secundario también se esta empezando a utilizar con primarios de amoniaco. Los compresores utilizados son esencialmente de tornillo, siempre con acoplamientos mecánicos de unión y en algún caso alternativo, los sistemas de condensación en las plantas de gran capacidad son a base de sistemas evaporativos y en algún caso por aire en baterías de acero inox/aluminio en aletas.
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5. BIBLIOGRAFÍA http://www.cofrico.com/newswp/blog/clasificacion-de-los-sistemas-derefrigeracion/ http://gas-refrigerator.com.ar/profile/7-1-advantages-and-disadvantages-of-adiffusion-absorption-r/146413/0 http://www.slideshare.net/MiguelSanchez72/mquina-frigorfica-por-absorcin http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3n http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c18/Maquinas%20termicas%20de%2 0refrigeracion.pdf http://www.miliarium.com/ATECOS/Html/Soluciones/Fichas/Refrigeracion_com presion.pdf
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