Kitabı oku: «Manual técnico de refrigerantes»

Capítulo 1
Métodos frigoríficos
1. Introducción

La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma “forzada” puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más temperatura. En la figura 1.1 se ha representado un esquema de este proceso. Es evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir el proceso natural y este trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico para que sea viable de forma práctica. En la figura Q_E representa el calor extraído a la carga, Q_C el calor cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo necesario para que funcione el sistema.

Figura 1.1 Esquema general del proceso de refrigeración

Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos [4]:

Agente frigorífico. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o fluido. Si se trata de un fluido recibe el nombre de fluido frigorífico o refrigerante.

Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la definición. Algunos llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros prefieren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivo aprovechar el calor.

Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina frigorífica en verano y calefactora en invierno.

Carga frigorífica. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara o almacén frigorífico es la carga frigorífica. El calor por unidad de tiempo que debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorífica, que se mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aunque relacionadas.

Máquina frigorífica. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración. A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de compresión de vapor o máquina de absorción.

Principio frigorífico. Este concepto hace referencia al principio fundamental de refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.

Proceso o método frigorífico. Es el sistema para producir una refrigeración continua y práctica. Puede basarse en un principio frigorífico o varios.

Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético.

Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa.

Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario, por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorífica; el refrigerante de la máquina frigorífica que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el secundario.

Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigorífica. Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.

2. Ciclos termodinámicos
2.1 Introducción

La forma práctica más habitual de llevar a cabo una refrigeración mecánica que no utilice una fuente interminable de frío es mediante un dispositivo denominado “Máquina de compresión de vapor”. Este dispositivo consta, esencialmente, de un condensador, un evaporador, un sistema de expansión y un compresor (ver figura 1.2).

Figura 1.2 Esquema del circuito de refrigeración por compresión de vapor

El funcionamiento es muy sencillo: se absorbe calor en el evaporador y se cede calor en el condensador. De alguna manera podemos decir que el calor viaja desde una zona de baja temperatura (en el evaporador) hasta una zona de alta temperatura (en el condensador). El calor sólo puede transmitirse de forma natural desde una zona de alta temperatura hasta otra de baja temperatura, en nuestro caso se trata de invertir el proceso por lo tanto será necesario inyectar trabajo en el sistema. Esta operación se lleva a cabo en el compresor.

El calor absorbido por el evaporador proviene de la carga, por lo tanto ésta se enfriará o mantendrá la baja temperatura necesaria.

El “agente” encargado de transportar el calor es el “fluido frigorífico” o “refrigerante”, aunque más adelante matizaremos alguna pequeña diferencia en la denominación.

En la figura 1.3 se ha efectuado una representación gráfica del proceso que experimenta el fluido frigorífico. Para entender la figura 1.3 haremos unas observaciones previas. Las líneas curvas centrales representan los estados de equilibrio de las fases líquida (la de la izquierda) y vapor (la de la derecha). La parte comprendida entre las dos curvas corresponde a mezclas líquido vapor. De una forma aproximada podemos suponer que la máquina de refrigeración trabaja entre dos presiones extremas: la de ALTA que es la corresponde al condensador y la de BAJA que es la que corresponde al evaporador. La entalpía es la variable que expresa el contenido energético de un fluido (el refrigerante) cuando está en movimiento.

Figura 1.3 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante azeotrópico

En la figura 1.4 se ha representado el ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico. Las isotermas son inclinadas y por lo tanto la temperatura de saturación de la fase líquida (T_L) y la de la fase vapor (T_S) no son iguales. Si llamamos T_E la temperatura de la mezcla a la entrada del evaporador se llama “glide” o deslizamiento la diferencia de temperaturas T_S - T_E.

Figura 1.4 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico

2.2 Coeficiente de eficiencia de una máquina de refrigeración

La máquina frigorífica extrae calor de la carga y lo bombea al medio refrigerante del condensador. La relación entre el calor extraído a la carga, Q_E, y la energía E, empleada para producir la extracción de calor (en el compresor), recibe el nombre de coeficiente de eficiencia o COP:

Algunos utilizan otras siglas para diferenciar la eficacia de una máquina de refrigeración o la eficacia de la misma funcionando como bomba de calor. Aquí optaremos por utilizar el símbolo COP_r para la máquina de refrigeración y COP_c para la bomba de calor.

Si llamamos Q_C el calor cedido por el condensador a su medio refrigerante deberá cumplirse:

El COP_c se define:

Resulta evidente la relación:

Hay que tener presente que las anteriores expresiones se cumplirán igualmente si las magnitudes energéticas se expresan por unidad de tiempo, es decir, si son potencias. Para indicar una cantidad de calor se ha venido utilizando la kcal, sin embargo es conveniente utilizar el J (julio) o un múltiplo. La relación sería:

1 kcal = 4,187 kJ

Para la potencia la unidad que debemos emplear es el W (vatio) o un múltiplo, preferentemente el kW. Para expresar el frío producido por unidad de tiempo se ha utilizado la frigoría. Debemos emplear el kW. Una frigoría/hora es equivalente a 1,163 W, por lo tanto un vatio equivale aproximadamente a 0,860 frigorías/hora.

Hay que señalar que debemos ser prudentes con la indicación de que un COP toma éste o aquel valor. Existen diferentes clases de COP: el nominal, el instantáneo y el estacional. Solo este último nos da una información fiable de la eficacia del circuito.

Ejemplo

En una máquina de refrigeración por compresión de vapor la potencia frigorífica es de 78 kW, la potencia disipada en el condensador es de 112 kW. Determinar el COP_r.

La potencia mecánica de compresión será:

Ė = 112 − 78 = 34 kW

y el COP

3. Principios de refrigeración

Entendemos por principios generales de refrigeración los fenómenos físicos más inmediatos que nos permiten enfriar una sustancia [4]. Son:

 Elevación de la temperatura de la sustancia refrigerante. (Efecto sensible)Si disponemos de una sustancia a menor temperatura que la carga que deseamos enfriar aquella enfriará la carga aumentando su temperatura. En este sentido es frecuente la utilización de aire frío o agua fría para enfriar un recinto.

 Cambio de fase de la sustancia refrigerante. (Efecto latente)Cuando un sólido pasa a gas directamente el proceso se llama sublimación y se absorbe calor, por lo tanto puede utilizarse para enfriar una carga. Si un sólido pasa a líquido también absorbe calor y el proceso se llama fusión. Si un líquido pasa a gas también se absorbe calor y el proceso se llama evaporación. La sublimación, la fusión y la evaporación pueden utilizarse para enfriar y el efecto frigorífico consiguiente se llama latente. El calor por unidad de masa absorbido para producir el cambio de estado se llama calor latente de evaporación, fusión o sublimación.

 Expansión de un gas real. (Efecto Joule-Thomson)Cuando expandimos un gas éste se enfría. Este hecho fundamental nos permite licuar los gases presentes en el aire y el aire mismo. Sólo debemos tener presente que en determinadas circunstancias muy especiales no se produce un enfriamiento sino un calentamiento.

 Refrigeración termoeléctrica. (Efecto Peltier)En 1822, Seebeck descubrió que la unión de dos metales diferentes, a diferente temperatura, produce una fuerza electromotriz. Este fenómeno constituye el principio de un dispositivo de conversión directa de energía y también de un sensor utilísimo de temperatura, denominado termopar. Los metales corrientes generan una fuerza electromotriz muy pequeña, equivalente a unos pocos milivolts por grado de diferencia de temperatura pero con semiconductores pueden obtenerse voltajes de salida mucho mayores.En 1834, Peltier, descubrió que el efecto Seebeck era reversible, es decir, que si se hace fluir una corriente eléctrica por un circuito formado por dos metales diferentes una de las soldaduras se calienta mientras que la otra se enfría. Igualmente si se utilizan materiales semiconductores, el efecto Peltier se incrementa con lo que es posible obtener un refrigerador basado en este fenómeno.

 Refrigeración paramagnética.Es el método que permite aproximarnos al cero absoluto, es decir los 0 K Las sustancias que son atraídas por un imán se llaman paramagnéticas. Cuando una sal paramagnética se somete a un campo magnético sus moléculas se orientan en él como si fuesen pequeños imanes. Se trata de enfriar la sal por procedimientos convencionales hasta una temperatura de 1 K aproximadamente. A continuación se aplica un potente campo magnético que orienta las moléculas. Este proceso genera calor que debe absorberlo un refrigerante, por ejemplo helio líquido. Si sacamos el helio y aislamos la sal retirando el campo magnético, la sal consume energía interna descendiendo su temperatura hasta una pequeña fracción por encima del cero absoluto. Técnicas parecidas pero aplicadas a los núcleos atómicos permiten obtener temperaturas de sólo millonésimas de grado K.

4. Métodos frigoríficos
4.1 Introducción

Los métodos frigoríficos que actualmente se consideran son (por orden de importancia):

 Método de la compresión de vapor

 Métodos de absorción

 Ciclos de gas

 Refrigeración termoeléctrica

En este contexto cuando hablamos de método nos referimos a un tipo de ciclo determinado, por tanto método y ciclo serían equivalentes, aunque sean conceptos diferentes.

4.2 El ciclo de compresión de vapor
4.2.1 Introducción

La refrigeración mecánica implica una transferencia de calor desde una temperatura inferior a otra superior. Este proceso hará necesario utilizar un ciclo termodinámico inverso (recorrido en sentido antihorario) que consumirá trabajo. Uno de los más comunes es el ciclo de compresión de vapor. La idea fundamental del ciclo es evaporar un líquido a baja presión para que absorba calor y condensarlo a alta presión para que ceda el calor extraído. Como habrá sido necesario comprimir el gas, el calor cedido incluirá el absorbido más la energía mecánica de compresión. Los elementos fundamentales de un ciclo de compresión de vapor son, el evaporador, el compresor, el condensador y un sistema de expansión que puede ser una válvula o un simple tubo capilar (ver figuras 1.2 y 1.3).

4.2.2 Compresores

El compresor es el dispositivo que permite tener una presión baja en el evaporador y alta en el condensador. Impulsa el refrigerante a través de todo el circuito. Es muy importante la relación de compresión: el cocientre entre la presión de impulsión y la de aspiración. Esta relación determina y limita el tipo de compresor que debe utilizarse. Recordemos que los principales tipos de compresores son:

 Centrífugos

 Alternativos

 De tornillo

 Scroll

 Rotativos

También pueden clasificarse en compresores de tipo abierto o cerrado (herméticos o semiherméticos).

4.2.3 Condensadores

El condensador enfría el gas caliente comprimido y acaba condensándolo. Se clasifican en función del fluido refrigerante [5].

 Condensadores refrigerados por aire

 Condensadores refrigerados por agua

A parte de esta clasificación también es importante la forma, así por ejemplo,

 Condensadores de placas

 Condensadores de tubos concéntricos

 Condensadores de haz tubular y envolvente

4.2.4 Depósito y sistemas de expansión

El depósito de refrigerante recibe el líquido procedente del condensador.

La válvula de expansión reduce la presión del líquido que sale del condensador hasta la baja presión necesaria en el evaporador. También regula el caudal de fluido que entra en el evaporador según las necesidades de refrigeración. Los tipos de válvulas utilizadas son:

 Válvula de expansión termostática

 Válvula de expansión presostática

 Válvula de flotador

 Válvula electrónica

Existe otra forma común para provocar la expansión:

 Tubo capilar

En este último caso la caída de presión se consigue haciendo pasar el líquido que sale del condensador por un tubo de radio muy pequeño de forma que el régimen sea laminar y por lo tanto, la pérdida de presión por rozamiento muy acusada.

4.2.5 Evaporadores

El evaporador transforma el líquido que sale de la válvula de expansión en vapor. En este proceso se absorbe calor de la carga [5].

Los evaporadores se clasifican en función del tipo de fluido que se desea enfriar. Aun en el caso de una cámara frigorífica en la que se enfrían sustancias sólidas, por ejemplo pescado, el evaporador siempre enfría de forma directa el aire del recinto y de forma indirecta la carga.

 Evaporadores para enfriar aire u otros gases

 Evaporadores para enfriar agua o salmuera

A parte de esta clasificación también es importante la forma, así por ejemplo,

 Evaporadores de placas

 Evaporadores de tubos concéntricos

 Evaporadores de tubos y envolvente

4.3 Ciclos de absorción

¿Existe alguna posibilidad de pasar de las condiciones de baja presión en el evaporador a las de alta presión en el condensador, sin que tengamos que invertir la gran cantidad de trabajo mecánico que se necesita para comprimir un gas? La respuesta a esta pregunta no es indiferente porque si pudiéramos resolver el problema comprimiendo una disolución, la energía de calidad (mecánica o eléctrica) consumida sería prácticamente despreciable. De hecho la respuesta a esta pregunta son los ciclos de absorción conocidos de hace tiempo, la primera patente data de 1860, y que no han encontrado en el mercado el lugar que les corresponde, siempre ahogados por la superior demanda de los ciclos de compresión de vapor. El auge de los sistemas de cogeneración, una de cuyas aplicaciones es la posibilidad de aprovechar el calor para obtener frío mediante una máquina de absorción, ha hecho reverdecer esperanzas en este método tan prometedor y tan respetuoso con el medio ambiente, puesto que permite, por una parte aprovechar energías de origen entálpico que de otro modo se perderían, y de otra utilizar energía térmica que es más barata que la eléctrica o la mecánica.

La máquina de absorción utiliza un ingenioso procedimiento para sustituir la compresión del vapor por la compresión de una disolución generalmente acuosa. Básicamente, se trata de absorber el vapor resultante del evaporador, diluirlo en un disolvente y comprimirlo. Posteriormente, se calienta la disolución comprimida para liberar el vapor y enviarlo al condensador. La absorción se realiza en un tanque o depósito denominado absorbedor, y el calentamiento y producción de vapor en otro denominado generador (véase la figura 1.5). La presencia inconfundible de estos depósitos, generalmente cilíndricos y situados uno encima del otro, confiere a la máquina de absorción su aspecto típico.

Figura 1.5 Esquema básico de una máquina de absorción

Existen dos ciclos básicos de absorción: el de amoníaco, que utiliza NH₃ como fluido frigorífico y agua como disolvente, y el de bromuro de litio, que utiliza agua como fluido frigorífico y una disolución de LiBr en agua como disolvente.

Las características fundamentales de los ciclos de absorción son:

Ventajas:

 Compresión de un líquido en lugar de un vapor. El consumo energético de esta operación es un gasto menor en la instalación, hasta el extremo que en muchas ocasiones ni siquiera se tiene en cuenta en los cálculos preliminares.

 La energía básica que consume la máquina de absorción es el calor que se proporciona al generador. El calor, aportado por un combustible, es una energía cara. No obstante, el calor recuperado (en realidad deberíamos referirnos a la entalpía), procedente de los humos de escape de una turbina de gas o de los humos de una caldera, es casi gratuito. Esta es la gran posibilidad que hace atractiva la máquina de absorción.

 La máquina de absorción puede ser el complemento valioso de una instalación de cogeneración, en la que se produce simultáneamente calor y electricidad. El calor puede utilizarse como fuente energética de la máquina de absorción. El objetivo prioritario de la instalación de cogeneración es la producción de electricidad; el calor se obtiene de la entalpía de los gases de escape de la turbina de gas o del motor de combustión, por lo que en cierto sentido, podemos hablar de una fuente energética gratuita, en este caso, para la máquina de absorción.

Inconvenientes:

 La máquina de absorción tiene un COPr inferior, bastante inferior, en igualdad de condiciones, que el ciclo de compresión de vapor equivalente. Sin embargo hay que matizar este hecho en tanto que no es tan importante el COPr como el coste de la energía primaria utilizada y en el caso de las máquinas de absorción el coste es sensiblemente inferior. Además, el ciclo real de absorción de NH3 ha de incluir un dispositivo a la salida del generador para eliminar el disolvente, pues de lo contrario éste pasaría primero al condensador y después al evaporador alterando las temperaturas de condensación y de evaporación.

 Son muy pocos los fluidos frigoríficos que se pueden utilizar en la máquina de absorción. Ello es debido a que a los condicionantes básicos necesarios hay que sumarle el de poder ser absorbidos por el disolvente.

 La máquina de absorción es más cara (euros/kW frigorífico).

4.4 Ciclos de gas

Se llaman así los ciclos basados, fundamentalmente, en el ciclo termodinámico de Brayton invertido [6]. El fluido frigorífico generalmente es aire. El COP_r del ciclo es muy bajo y la utilización de esta clase de ciclos ha de obedecer a causas muy precisas.

Los ciclos de gas se basan en aprovechar el efecto sensible para enfriar la carga; tienen un rendimiento muy bajo que les sitúa fuera del mercado frente a los ciclos de compresión de vapor y los de absorción. Sin embargo se utilizan en aplicaciones específicas.

4.5 Refrigeración termoeléctrica

Ya citada anteriormente al hablar de los efectos frigoríficos. Esta interesante técnica frigorífica está basada en el efecto Peltier. La forma práctica de llevarla a cabo consiste en instalar una batería de uniones frías en el recinto en el que quiere extraerse calor y una batería de uniones calientes fuera [7]. Se han construido modelos experimentales que funcionan con eficiencias muy bajas, entre un 5 y un 15 %, pero es un sistema que aún no se ha explotado comercialmente de una forma sistemática aunque pueden citarse determinadas aplicaciones puntuales.

5. Estudio de los ciclos frigoríficos
5. 1. Introducción

El estudio de la refrigeración, como el de cualquier otra técnica o disciplina comprende una parte teórica llamada también de fundamento y otra práctica. En [8], se ha estudiado la cámara frigorífica. La parte teórica comprende básicamente el estudio del correspondiente ciclo termodinámico. El ciclo de compresión de vapor es el más comúnmente utilizado. Emplea como fuente de energía trabajo mecánico, obtenido casi siempre a partir de un motor eléctrico. Por tanto, en estos casos, la fuente primaria de energía (desde el punto de vista del coste) es la electricidad. El ciclo se fundamenta en la compresión de un vapor que al hallarse a mayor temperatura que el medio caliente le cede calor. Con ello el vapor se enfría y, si la presión es adecuada, incluso condensa. El condensado, se expande en una válvula de expansión o en un tubo capilar con lo que, de una parte, pierde la presión proporcionada por el compresor y, por otra parte, experimenta un enfriamiento súbito que hace posible la absorción de calor del medio frío que produce la vaporización del líquido. El gas será de nuevo comprimido por el compresor y de esta forma prosigue el ciclo. La condensación del vapor se efectúa en un condensador y la vaporización en un evaporador.

Hay que señalar el hecho fundamental siguiente: el ciclo de compresión de vapor se puede utilizar tanto para aprovechar el efecto frigorífico en el evaporador (máquina frigorífica) como para aprovechar el efecto calorífico en el condensador (bomba de calor). Es difícil encontrar aplicaciones en las que se puedan utilizar simultáneamente ambos efectos aunque no es imposible.

En la práctica, se recurre a las siguientes denominaciones: a) cuando sólo se utiliza el frío, se habla de máquina o sistema frigorífico convencional; b) cuando sólo se utiliza el calor, se habla de bomba de calor; c) si se utiliza el frío en una temporada y el calor en otra (nunca simultáneamente), entonces se habla de bomba de calor reversible. En este caso, la inversión de funcionamiento se realiza mediante una válvula de cuatro vías.

El ciclo de compresión de vapor presenta tres características fundamentales:

a) Ha de comprimir un vapor, con el gasto energético que esta operación presupone.

b) Ha de utilizar un fluido frigorífico que reúna las características adecuadas que, por cierto, son muchas y por tanto son pocos los fluidos frigoríficos satisfactorios.

c) El COP tanto de la máquina frigorífica como el de la bomba de calor es alto, siempre que las relaciones de compresión sean modestas. Los COP reales en máquinas comerciales suelen oscilar, en la práctica, entre 2 y algo más de 3. Esta eficacia es muy alta, lo cual hace muy atractivas estas máquinas haciendo olvidar fácilmente que la energía de funcionamiento es de alta calidad y, por consiguiente, cara.