Sistemas de Producción de Frío

Para producir frío se pueden emplear varios métodos, que se agrupan en dos grandes bloques:

• Sistemas basados en procedimientos químicos.
• Sistemas que utilizan métodos físicos.

Sistemas Químicos

Estos sistemas se basan en la ley de Raoult, utilizando el descenso del punto de congelación de un solvente producido por la adición de una sal soluble. Se emplean normalmente soluciones de agua y hielo con determinadas sales, denominándose mezclas criogénicas a estas soluciones.

Estos sistemas se emplean normalmente en el laboratorio, con poca aplicación industrial debido a las dificultades que plantea la reutilización de las disoluciones.

Sistemas Basados en Efectos Físicos

A) Sistemas Basados en Cambios de Estado

Estos sistemas se basan en que determinados cambios de estado precisan de una absorción de calor para poderse producir, utilizándose el calor latente de cambio de estado en la producción frigorífica. Los cambios de estado que requieren una absorción de calor son:

• Fusión: Se emplea aprovechando el calor de fusión del hielo, con lo que pueden conseguirse temperaturas próximas a 0°C. Se trata de un proceso discontinuo, empleándose usualmente para la conservación de alimentos durante periodos cortos, pero no a nivel industrial.
• Sublimación: Utiliza el calor necesario para que determinados cuerpos pasen directamente del estado sólido al gaseoso. La sustancia más comúnmente empleada es el anhídrido carbónico sólido (hielo seco o nieve carbónica). Permite alcanzar temperaturas de -78,3°C. No se emplea industrialmente.
• Evaporación: Es el paso de un fluido en estado líquido a estado gaseoso. Se subdivide en:
  • Vaporización directa: Se utiliza la absorción de calor por un líquido para evaporarse, sin recuperación de los vapores formados ni aportación de energía exterior. No tiene aplicación industrial.
  • Vaporización indirecta: Utiliza la absorción de calor por un líquido al evaporarse, pero con recuperación de los vapores y aportación de energía exterior. Este es el fundamento de la industria frigorífica actual. Se emplean fluidos que hierven a baja temperatura, a presiones próximas a la atmosférica, denominados fluidos frigoríficos. El fluido frigorífico se introduce en estado líquido en un evaporador, donde se mantiene baja presión. El fluido se evapora absorbiendo calor del medio que rodea al evaporador, enfriándolo. Los vapores producidos se recuperan, enfrían y condensan en un condensador, donde la presión es alta para que el fluido se conserve en estado líquido. El líquido regenerado está listo para un nuevo ciclo.

Los sistemas basados en la vaporización indirecta tienen aplicación industrial. Los tres sistemas empleados son:

• Por compresión mecánica de vapor.
• Por absorción.
• Por eyección de vapor.

En el primero, los vapores del evaporador son aspirados por un compresor, que los comprime y eleva su presión hasta que condensan. Es el sistema más utilizado, con un rendimiento del 95% o más.

El segundo método, por absorción, utiliza este fenómeno físico para aspirar los vapores del evaporador, haciéndolos absorber por otro(s) cuerpo(s) con desprendimiento de calor.

El tercer sistema utiliza el efecto de vacío, o efecto de trompa, producido por una corriente de alta velocidad de vapor, para aspirar los vapores del evaporador, siendo la mezcla de ambas corrientes de vapor condensadas nuevamente.

B) Sistemas Basados en Efectos Específicos

En este grupo se engloban los procedimientos basados en distintos efectos físicos donde se produce una absorción de calor. Se pueden mencionar:

• Enfriamiento por expansión de un gas (efecto Joule-Thompson).
• Enfriamiento termoeléctrico (efecto Peltier).
• Enfriamiento magnetotérmico (efecto Hass-Keenson).
• Efectos de laboratorio como el efecto Ettingshausen o el efecto Ranke-Hilsch.

Distribución del Frío

La distribución del frío se puede realizar por dos procedimientos:

• Expansión directa: El fluido frigorífico se envía por tuberías a los puntos de utilización, donde se evapora, retornando el vapor al compresor. El fluido se denomina refrigerante o fluido frigorígeno.
• Fluido intermedio: El fluido frigorífico enfría, mediante evaporación, a otro fluido que se envía a los puntos de utilización. El fluido intermedio se calienta en los puntos de utilización y se retoma para su posterior enfriamiento. Se denomina fluido frigorífero.

Los fluidos frigorígenos cambian de estado para absorber calor, aprovechando su calor latente para la producción frigorífica, mientras que los fluidos frigoríferos absorben calor elevando su temperatura, empleando su calor sensible. El agua puede actuar como fluido frigorígeno o frigorífero.

Refrigerantes

Los refrigerantes se designan mediante su fórmula molecular, su denominación química o su denominación simbólica numérica. La denominación simbólica numérica consiste en emplear el signo «R» seguido de una expresión. Ejemplos: R-11 para el triclorofluorometano (CCl₃F) o R-21 para el diclorofluorometano (CHCl₂F).

Ejemplos de refrigerantes inorgánicos son el agua (R-718), el anhídrido sulfuroso (R-764), el dióxido de carbono (R-744) y el amoníaco (R-717).

Ejemplos de refrigerantes orgánicos son los mencionados anteriormente, el triclorotrifluoroetano (R-113) y el diclorotetrafluoroetano (R-114).

Fluidos Frigoríferos

Las sustancias más usadas como fluidos frigoríferos o refrigerantes secundarios en sistemas indirectos son el agua, las salmueras de cloruro sódico y de cloruro cálcico, y las disoluciones hidroalcohólicas de etilenglicol, propilenglicol, metanol o glicerina.

Las ventajas de los sistemas indirectos de refrigeración son:

• Evitan que fugas de refrigerante contaminen el recinto o sustancia a refrigerar.
• Permiten crear una reserva de capacidad de refrigeración.
• Permiten un enfriamiento más rápido gracias a su mayor conductividad térmica.
• Facilitan el control de instalaciones complejas.

Para temperaturas superiores a 0°C, el refrigerante secundario por excelencia es el agua.

El cloruro sódico se emplea (eutéctico a -21°C) en aplicaciones de la industria alimentaria que no precisan temperaturas muy bajas.

Con disoluciones hidroalcohólicas anticongelantes se obtienen temperaturas inferiores a la de la salmuera de cloruro cálcico (eutéctico a -55°C) con la ventaja de no ser corrosivas.

El Ciclo Inverso de Carnot

En las máquinas de compresión mecánica de vapor, la extracción de calor del foco frío se realiza mediante la vaporización de un líquido a baja presión, y la cesión de calor al foco caliente mediante la condensación a una presión más elevada del vapor formado.

El líquido saturado a la temperatura T_c que descarga el condensador sufre una expansión isoentrópica (proceso 1-2), produciendo un trabajo W_c y disminuyendo su temperatura hasta T_f (foco frío). El vapor húmedo experimenta en el evaporador una vaporización parcial (proceso 2-3), absorbiendo del foco frío una cantidad de calor q_f. El vapor húmedo producido en el evaporador es aspirado por el compresor (proceso 3-4), donde sufre una compresión isoentrópica que eleva su temperatura desde T_f hasta T_c (foco caliente). Finalmente, el vapor saturado a T_c cede al foco caliente una cantidad de calor q_c, condensando y cerrando el ciclo.

Etiquetas: ciclo de Carnot, Compresión, fluidos frigoríficos, frio, Refrigeración, refrigerantes, sistemas de refrigeración