CICLO DE REFRIGERACIÓN
Antes de centrarnos en el estudio de los sistemas frigoríficos se debe hacer hincapié en ciertos conceptos que posteriormente nos servirán para una mejor comprensión del ciclo de refrigeración presente en todos los sistemas frigoríficos.
Lo primero seria explicar qué se entiende por refrigeración:
La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.
La refrigeración es una parte de la climatización, ya que al climatizar, además de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento, también se controla la humedad, limpieza y distribución para responder a las exigencias del espacio climatizado.
Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo mas frío (temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar.
El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío.
El cuerpo que se utiliza para absorber el calor que deseamos eliminar se llama refrigerante.
Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de refrigeración.
Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos refrigerar hacia el exterior.
Vamos a recordar varios conceptos anteriormente explicados:
Calor latente: es el calor que produce un cambio de estado sin cambio de temperatura.
Nos centramos en la evaporación y condensación, dos cambios de estado presentes en el ciclo de refrigeración, el primero necesita de un aporte de calor, y el segundo, por ser el proceso inverso al primero, necesita ceder el calor a otro cuerpo para llevarse a cabo.
Sabemos en estos momentos que el refrigerante en un punto del ciclo de refrigeración se evapora, y para ello necesita un aporte de calor (en este punto del ciclo se produce la absorción del calor del espacio por parte del refrigerante para reducir la temperatura del espacio) y que en otro punto del ciclo se condensa, necesitando ceder calor a otro cuerpo (en este punto el refrigerante cede el calor al exterior).
Estos cambios de estado no se pueden producir sin olvidar un concepto muy importante, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío, es decir, del cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo a menor temperatura. Esto significa que para que los cambios de estado en el refrigerante se produzcan es muy importante a qué temperatura se producen, para saber si la absorción de calor en la evaporación y la cesión de calor en la condensación se pueden llevar a cabo.
Esto nos lleva a recordar el concepto de temperatura de saturación: temperatura a la cual un líquido se transforma en vapor, o un vapor se transforma en líquido, es decir la temperatura a la que se produce la evaporación y la condensación del refrigerante, independiente para cada sustancia, y variable con la presión a la que se encuentra sometida la sustancia.
Cuando aumenta la presión, aumenta la temperatura de saturación.
Intuitivamente podemos valorar a qué temperaturas deben producirse dichos cambios de estado para que el ciclo de refrigeración se lleve a cabo.
Nuestro objetivo es refrigerar un espacio, para ello sabemos que debemos extraer calor del espacio, utilizando un fluido llamado refrigerante; el refrigerante va a absorber el calor del espacio mientras se evapora (absorbe el calor latente del refrigerante), con lo cual el calor debe fluir del espacio que queremos refrigerar hacia el refrigerante. Es decir, nos interesa que el refrigerante utilizado se evapore a temperaturas más bajas que a la temperatura a la que se encuentra el espacio que debemos refrigerar.
Interesa que las sustancias utilizadas como refrigerantes tengan temperaturas de saturación muy bajas, por debajo de cero para que la temperatura que queramos alcanzar en el espacio a refrigerar siempre sea superior a la temperatura de saturación del refrigerante, y el flujo de calor siempre vaya del espacio hacia el refrigerante.
Lo contrario ocurre en la condensación del refrigerante. Como en la condensación el refrigerante cede calor, para volver a su estado liquido, el refrigerante debe encontrar un cuerpo mas frío que él para poder condensarse. Pero la temperatura de saturación es la misma para evaporar que para condensar, y acabamos de decir que interesa sustancias con temperaturas de saturación muy bajas para producir la evaporación del refrigerante. Entonces, ¿cómo vamos a volver a condensar el refrigerante, para volver a evaporarlo y continuar extrayendo calor del espacio a refrigerar? Si, además, el calor lo voy a ceder al exterior que se supone que está a más temperatura que el espacio que estoy refrigerando.
La respuesta se ha indicado anteriormente; al aumentar la presión aumenta la temperatura de saturación. La solución es bien fácil, aumento la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante hasta el punto en que la temperatura de saturación del refrigerante es mayor que la temperatura exterior, convirtiendo al refrigerante en el cuerpo caliente en su punto de condensación, y el exterior que rodea el espacio a refrigerar en el cuerpo frío, absorbiendo el calor que necesita ceder el refrigerante para condensar y volver a su estado liquido para iniciar otra vez el ciclo de refrigeración.
Entre la condensación y evaporación en el ciclo de refrigeración, debemos reducir la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante, para que la temperatura de saturación descienda y la evaporación del refrigerante vuelva a producirse.
Procesos del ciclo de refrigeración
El refrigerante circula por el sistema y pasa por diversos cambios de estado y condición; cada uno de esos cambios se denomina un proceso. El refrigerante comienza en un estado o condición inicial, pasa por una serie de procesos según una secuencia definida, y vuelve a su condición inicial. Esta serie de procesos se denomina ciclo de refrigeración. El ciclo de refrigeración simple se compone de cuatro procesos fundamentales:
• Expansión.
• Evaporación.
• Compresión.
• Condensación.
Expansión
Este proceso ocurre en el control de flujo de refrigerante. El refrigerante líquido a temperatura y presión altas fluye del receptor por el tubo del líquido hacia el control de flujo del refrigerante, de tal forma que a la salida, la presión del líquido se ha reducido lo suficiente para que la temperatura de saturación del refrigerante que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del ambiente refrigerado.
Una parte del líquido se evapora en el control de flujo de refrigerante para reducir la temperatura del líquido hasta la temperatura de evaporación.
Evaporación
En el evaporador, el líquido se evapora a una temperatura y presión constantes, mientras el calor necesario para el suministro de calor latente de evaporación pasa de las paredes del evaporador hacia el líquido que se evapora.
Todo el refrigerante se evapora en el evaporador y se calienta en el extremo del evaporador. Pese a que la temperatura del vapor aumenta un poco en el extremo del evaporador debido al recalentamiento, la presión del vapor no varía.
Aunque el vapor absorbe el calor del aire que rodea la línea de aspiración, que aumenta su temperatura y disminuye ligeramente su presión debido a la pérdida por fricción en la línea de aspiración, estos cambios no son importantes para la explicación de un ciclo de refrigeración simple.
Compresión
Por la acción del compresor, el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.
En el compresor, la temperatura y presión del vapor aumentan debido a la compresión. El vapor de alta temperatura y alta presión se descarga del compresor en la línea de descarga.
Condensación
El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde evacua calor hacia el aire relativamente frío que el ventilador del condensador hace circular a través del condensador. Cuando el vapor caliente evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a la nueva temperatura de saturación que corresponde a la nueva presión, y el vapor se condensa, volviendo así al estado líquido. Antes de que el refrigerante alcance el fondo del condensador, se condensa todo el vapor y luego se subenfría.
A continuación, el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo para volver a circular.
