Sistemas de Producción de Frío

Para producir frío pueden emplearse varios métodos, que se pueden agrupar en dos grandes bloques:

1. Sistemas basados en procedimientos químicos.
2. Sistemas que consiguen la producción del frío mediante métodos físicos.

Sistemas Químicos

Estos sistemas están basados 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 en el ámbito industrial, debido a las dificultades que plantea el volver a situar las disoluciones en condiciones de una nueva utilización.

Sistemas que se basan en efectos físicos específicos

A) Sistemas basados en cambios de estado

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

• Fusión
• Sublimación
• Evaporación

Fusión: Se emplea aprovechando el calor de fusión del hielo, con lo que pueden conseguirse temperaturas próximas a 0°C, sin recuperación del agua líquida producida en la fusión para una posterior obtención de hielo. Se trata así de un proceso discontinuo, empleándose usualmente para la conservación de alimentos durante periodos cortos, pero no a carácter 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, denominado hielo seco o nieve carbónica. Como la temperatura de sublimación del anhídrido carbónico es de -78,3°C, pueden conseguirse temperaturas varias decenas por debajo de 0°C. En esta utilización, el anhídrido carbónico gaseoso, formado en la sublimación, no es recuperado, por lo que este método tampoco es empleado industrialmente.

Evaporación: Es el paso de un fluido en estado líquido a estado gaseoso, pudiendo subdividirse en dos:

1. Vaporización directa
2. Vaporización indirecta

Vaporización directa: Se utiliza la absorción de calor por un líquido para evaporarse, sin recuperación de los vapores formados y sin aportación de energía exterior, se realiza con productos como el aire líquido, el nitrógeno líquido, el anhídrido carbónico líquido, etc. No tiene aplicación industrial.

Vaporización indirecta: Utiliza también la absorción de calor por un líquido al evaporarse, pero con recuperación de los vapores y con aportación de energía exterior. Este es el fundamento de toda la industria frigorífica actual.

Para producir vaporización indirecta, se emplean fluidos que hierven a baja temperatura, a presiones próximas a la atmosférica, denominados fluidos frigoríficos. El fluido frigorífico es introducido en estado líquido en un recipiente al que se denomina evaporador, y donde se mantiene la presión suficientemente baja. El fluido se evapora con absorción de calor del medio que rodea al evaporador, consiguiéndose así el enfriamiento de este medio (como sucede cuando colocamos un poco de alcohol en la palma de la mano). Los vapores producidos son recuperados, enfriándolos y condensándolos en otro recipiente denominado condensador, donde la presión se mantiene lo suficientemente alta para garantizar que el fluido se conserva en estado líquido. El líquido así regenerado está en disposición de comenzar un nuevo ciclo.

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

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

Compresión mecánica de vapor: Los vapores formados en la evaporación son aspirados por un compresor, que al comprimirlos les aporta una energía, elevando su presión hasta situarlos en condiciones de condensación. Es el sistema más ampliamente utilizado, ya que es el método que presenta mejor rendimiento (95% ó más).

Absorción: Utiliza este fenómeno físico para aspirar los vapores formados en el evaporador, haciendo que sean absorbidos por otro(s) cuerpo(s); este fenómeno se realiza con desprendimiento de calor.

Eyección de vapor: Utiliza el efecto de vacío, o efecto de trompa, producido por una corriente de alta velocidad de vapor, para provocar la aspiración de los vapores formados en el evaporador, siendo la mezcla de ambas corrientes de vapor condensadas nuevamente.

B) Sistemas basados en efectos específicos

Se engloban en este grupo de sistemas de producción de frío, aquellos procedimientos fundamentados en distintos efectos físicos en los que se produce una mayor o menor absorción de calor. Así, se pueden mencionar:

• Enfriamiento por expansión de un gas, basado en el efecto Joule-Thompson
• Enfriamiento termoeléctrico, basado en el efecto Peltier
• Enfriamiento magnetotérmico, fundamentado en el efecto Hass-Keenson
• Efectos utilizados en el laboratorio, como el efecto Ettingshausen, o el efecto Ranke-Hilsch

Distribución del Frío

La distribución del frío puede realizarse por dos procedimientos:

1. Expansión directa: El fluido frigorífico es enviado por tuberías a los puntos de utilización, donde es evaporado, retornando el vapor hacia el compresor. El fluido recibe el nombre de refrigerante o fluido frigorígeno.
2. Fluido intermedio: El fluido frigorífico enfría, mediante una evaporación, a otro fluido que es posteriormente enviado a los puntos de utilización por medio de la correspondiente red de distribución, calentándose el fluido intermedio, que recibe el nombre de fluido frigorífero, en los citados puntos de utilización y siendo normalmente retomado para un posterior enfriamiento.

De aquí, se entiende por fluidos frigorígenos aquellos fluidos que para absorber calor cambian de estado, aprovechando su calor latente para la producción frigorífica, mientras que los fluidos frigoríferos absorben el calor elevando su temperatura, empleando por tanto su calor sensible. El agua puede actuar como fluido frigorígeno o frigorífero, según sea la utilización que se pretenda de ellos, aunque en el caso del agua se utiliza generalmente como fluido frigorífero.

Refrigerantes

Los refrigerantes pueden designarse mediante su fórmula molecular, su denominación química o su denominación simbólica numérica. La denominación simbólica numérica consiste en emplear para la identificación de cada refrigerante, el signo»», seguido de una expresión alfabética que se asigna. Así, R-11 para el triclorofluorometano (CCl₃F) ó R-21 para el diclorofluorometano (CHCl₂F) (Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas según Real Decreto 394/1979 de 2 de febrero y Real Decreto 754/1981, de 13 de marzo). Otra referencia de la normativa correspondiente es la Orden de 24 de enero de 1978. Clasificación de refrigerantes según Instrucción MI IF002.

Son ejemplos de refrigerantes inorgánicos, el agua (R-718), el anhídrido sulfuroso (R-764), el bióxido de carbono (R-744), el amoníaco (R-717). Ejemplos de refrigerantes orgánicos son los mencionados más arriba y el tricloro trifluoroetano (R-113) o el diclorotetrafluoroetano (R-114).

Fluidos Frigoríferos

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

El empleo de los sistemas indirectos de refrigeración presenta ventajas como:

• Impide que eventuales fugas de refrigerante contaminen el recinto o sustancia a refrigerar.
• Permite crear una reserva de capacidad de refrigeración ante posibles averías en el sistema o fluctuaciones en la potencia frigorífica demandada.
• Debido a su mayor conductividad térmica, permite un enfriamiento más rápido del producto que el que se conseguiría enfriando con aire.
• Permite un control más fácil de instalaciones complejas, como las correspondientes al acondicionamiento de edificios.

Para temperaturas requeridas superiores a 0°C, el refrigerante secundario por excelencia es el agua. El cloruro sódico se emplea (eutéctico a -21°C) en aquellas aplicaciones de la industria alimentaria que no precisan temperaturas excesivamente bajas. Con disoluciones hidroalcohólicas anticongelantes se obtienen temperaturas inferiores a la correspondiente a la salmuera de cloruro cálcico (eutéctico a -55°C) con la ventaja de no ser corrosiva.

El Ciclo Inverso de Carnot

En las máquinas de compresión mecánica de vapor, la extracción de calor del foco frío, se efectúa 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 1, saturado a la temperatura T_c que descarga el condensador sufre una expansión isoentrópica, proceso 1-2, produciendo una cantidad de trabajo W_c y disminuyendo su temperatura hasta el valor T_e correspondiente al foco frío. El vapor húmedo 2, experimenta en el evaporador una vaporización parcial, proceso 2-3, totalmente reversible, con lo que absorbe del foco frío una cantidad de calor q_c. El vapor húmedo 3 producido en el evaporador es aspirado por el compresor, proceso 3-4, en donde sufre una compresión isoentrópica que eleva su temperatura desde el valor T_c del foco frío, hasta la temperatura T_c del foco caliente. Finalmente el vapor 4, saturado a la temperatura T_c, cede al foco caliente una cantidad de calor q_c, según un proceso totalmente reversible, con lo cual condensa y cierra el ciclo.

sa y cierra el ciclo.

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