Introducción a las Máquinas Térmicas y Frigoríficas

a) Motor térmico: Generan energía mecánica a partir de una fuente de calor, cediendo un cierto calor residual. Ejemplo: motor de gasolina, motor diésel, turbina de vapor.
b) Máquina frigorífica: Reducen la temperatura de un foco térmico (bombear calor de un foco frío) mediante el aporte de energía mecánica. Ejemplo: refrigerador.

Las máquinas frigoríficas extraen calor de un foco frío a partir del aporte de energía mecánica, variando la energía de un fluido de forma cíclica, y ceden calor a un foco caliente.
El fluido que transporta el calor se llama refrigerante. El dispositivo que modifica la energía del fluido es una máquina eléctrica llamada compresor.

Las máquinas frigoríficas se utilizan para enfriar productos en un refrigerador o en un congelador, en una cámara frigorífica industrial y también en la climatización de locales.
En climatización, una misma máquina frigorífica puede funcionar también en modo calor; es decir, son reversibles.
Los sistemas de climatización tradicionalmente funcionaban en verano y el foco frío era el interior de la sala a acondicionar, del mismo modo que funciona un refrigerador. Posteriormente se hicieron reversibles, de modo que invirtiendo el flujo del refrigerante, se consiguió que la sala a acondicionar fuera el foco frío en verano o bien el foco caliente en invierno. A partir de ese momento, se empezó a utilizar el término bomba de calor en referencia a los sistemas de climatización reversibles, aunque técnicamente una bomba de calor es todo sistema que extrae calor.

El Ciclo Frigorífico Explicado

La temperatura del aire ambiente es de 35 °C y la temperatura de la cámara es de 2 °C. El compresor descarga vapor sobrecalentado a 80 °C a una presión de 1285 kPa. A la entrada del condensador, la temperatura puede ser más baja, por ejemplo a unos 75 °C. A medida que los gases sobrecalentados recorren el condensador, debido a la temperatura ambiente inferior de 35 °C, se enfrían hasta alcanzar los 52 °C, donde comienzan a condensarse formando gotas líquidas de refrigerante, ya que esta es la temperatura de condensación del R-134a a la presión de 1285 kPa. El proceso de condensación continúa a una temperatura constante de 52 °C hasta que todo el vapor se convierte en líquido. Debido a que el aire ambiente está a 35 °C, el refrigerante se sigue enfriando en el condensador hasta los 48 °C. Este enfriamiento adicional se denomina subenfriamiento. Desde el final del condensador hasta la entrada del dispositivo de expansión, el líquido refrigerante se subenfría aún más, hasta llegar a los 44 °C (subenfriamiento total de 8 °C).

En el dispositivo de expansión, el refrigerante líquido a 1285 kPa se expansiona, disminuyendo su presión (hasta 153 kPa). A esta presión, el refrigerante R-134a hierve por encima de los -4 °C. Como en el entorno hay una temperatura superior (2 °C), la temperatura del refrigerante cae hasta los -4 °C y comienza el cambio de estado a temperatura constante de -4 °C, absorbiendo calor del entorno. La temperatura del refrigerante se mantiene en -4 °C hasta que todo el líquido se ha convertido en vapor. A partir de este momento, aumenta la temperatura a medida que absorbe más calor del aire circundante, hasta que al final del evaporador se alcanzan los 2 °C. Esta diferencia de temperatura de 6 °C se denomina sobrecalentamiento.
Desde el final del evaporador hasta la entrada del compresor, el vapor refrigerante se sobrecalienta aún más, hasta llegar a los 7 °C (sobrecalentamiento total).

Formación de Escarcha y Necesidad de Desescarche

El vapor de agua en suspensión que se encuentra en el aire que atraviesa el evaporador tiende a depositarse sobre su superficie en forma de escarcha, debido a que la temperatura de la pared exterior del serpentín normalmente es inferior a 0 °C.
Aparte de las aperturas de puertas con las consiguientes entradas de aire caliente y húmedo, los productos almacenados despiden también humedad, contribuyendo a la formación de escarcha. Este hielo depositado sobre la superficie del serpentín impide el paso del aire y, al convertirse en un aislante térmico, dificulta la transmisión de calor. Todo esto produce un descenso en la temperatura del refrigerante en ebullición, lo que disminuye la producción frigorífica y aumenta el tiempo de funcionamiento del equipo. Para solucionar estos inconvenientes, es necesario realizar una descongelación (desescarche) periódica de las paredes del evaporador, según varios procedimientos.

Existen dos factores que influyen en el grado de humedad del compartimento:
Uno de ellos es adoptar un valor de la DT que sea compatible con el valor del grado de humedad deseado.
El otro factor es la velocidad de circulación del aire alrededor de los productos almacenados; una velocidad elevada provoca una evaporación más intensa en la superficie del producto, con la consiguiente y más importante deshidratación de los mismos.

Métodos de Descongelación (Desescarche)

Descongelación de ciclo de apagado

Los refrigeradores que tienen una temperatura de compartimento mayor o igual a 3 °C se descongelan por sí solos durante el ciclo de apagado con el método de «ciclo de apagado» (*desescarche on-off*). Cuando el compresor para por termostato, los ventiladores del evaporador siguen recirculando el aire del compartimento a través de las aletas del serpentín. Debido a que las temperaturas del compartimento y de los productos están por encima de la temperatura de congelación, el evaporador se calienta y la escarcha se funde.

Descongelación planificada

Cuando la temperatura del compartimento se encuentra entre 1 °C y 2 °C, suele haber demasiada escarcha que fundir durante el ciclo de apagado, no siendo este lo suficientemente largo para descongelar el evaporador. Por tanto, se instala un reloj para forzar al compresor a permanecer apagado el tiempo suficiente como para que el serpentín se descongele. Se debe planificar cuándo y con qué frecuencia tiene que desconectarse el compresor con el fin de eliminar la escarcha. Se utiliza un temporizador para apagar el compresor el tiempo suficiente para que se efectúe la descongelación necesaria. En general, las descongelaciones se planifican para llevarse a cabo cuando no se está utilizando el compartimento refrigerado. El momento ideal es en la madrugada o durante la comida del mediodía. Con una o dos horas suele ser suficiente para fundir la escarcha acumulada durante el día. La temperatura de los productos almacenados puede aumentar, pero no lo suficiente como para que se estropeen. Una vez completado el periodo de descongelación, el compresor restaura rápidamente la temperatura original de los productos. En algunos casos, se planifica para que el compresor funcione 16, 18 o 20 horas por día. Es decir, el equipo descongela durante 8, 6 o 4 horas, respectivamente. El número de periodos y su duración depende de las características de funcionamiento de la instalación.

Descongelación con «calor adicional»

Si la temperatura del compartimento es de 1 °C o inferior, no existe ninguna forma de que el compartimento se caliente lo suficiente como para poder descongelar por aire. Es necesario utilizar para la descongelación gas caliente o calor eléctrico suplementario. Normalmente, solo se precisan una o dos descongelaciones cortas cada 24 horas. Existen los siguientes métodos:

  • a) Por agua: Consiste en pulverizar agua sobre el evaporador. Al entrar en contacto con el hielo, este se deshace y cae sobre una bandeja para, posteriormente, enviarlo, ya en forma de agua, a un desagüe. Durante el desescarche, la máquina se encuentra parada, se para el ventilador y se corta el paso del refrigerante. Es el método menos usado.
  • b) Por resistencias eléctricas: Consiste en calentar el evaporador mediante resistencias eléctricas en contacto con las aletas del evaporador. El agua de la fusión cae en una bandeja y después será enviada al desagüe.
  • c) Por gases calientes: Consiste en descargar el refrigerante en estado vapor sobrecalentado en el evaporador. Para ello, se coloca una tubería llamada línea de desescarche que conecta directamente la salida del compresor al evaporador.
  • d) Por inversión de ciclo: Consiste en que el evaporador pase a ser condensador y viceversa durante el periodo de desescarche. Para ello, se utiliza una válvula de cuatro vías.

Tipos de Condensadores en Sistemas Frigoríficos

Condensadores enfriados por aire

El fluido refrigerante cede su calor al aire, que puede circular por convección natural (equipos de baja potencia como electrodomésticos) o por convección forzada mediante ventiladores (instalaciones de climatización).
Al igual que vimos con el evaporador, en el condensador los tubos que forman el serpentín pueden ser de cobre lisos (frigoríficos) o llevar incorporadas aletas de aluminio para aumentar la superficie de intercambio de calor. También podemos encontrar condensadores de placas en los que los tubos van unidos a una fina chapa provista de ranuras.
Los condensadores con aletas y placas se utilizan en instalaciones de mayor potencia.

Condensadores enfriados por agua

El agua tiene cuatro veces mayor capacidad que el aire para absorber calor; por lo tanto, los condensadores enfriados por agua requieren menor superficie de intercambio para eliminar la misma potencia térmica que los enfriados por aire. Los podemos clasificar en:

  • De doble tubo o concéntricos: Los fluidos discurren a contracorriente y el agua se desplaza por el tubo más delgado mientras que el refrigerante lo hace por el espacio central.
  • Multitubulares: Están formados por una carcasa metálica que lleva en su interior montada una batería de tubos. El fluido refrigerante llena la envolvente, se condensa al estar en contacto con los tubos por los que circula el agua y sale en estado líquido por la parte inferior hasta el recipiente acumulador.
  • Condensadores evaporativos: El refrigerante sobrecalentado que circula por el interior del serpentín es enfriado por el agua que constantemente se pulveriza sobre la superficie externa del serpentín; al mismo tiempo, una corriente ascendente de aire retira calor del fluido refrigerante.

El condensador evaporativo está formado por una envolvente, normalmente de acero galvanizado, en cuyo interior se aloja el serpentín por el que circula el fluido refrigerante. También incorpora uno o varios ventiladores que hacen circular el aire en sentido ascendente desde su aspiración a través de unas rejillas situadas en la parte inferior hasta su salida al exterior a través de un *separador de gotas* que trata de evitar la pérdida de agua del circuito.

En la parte inferior del condensador, se sitúa una bandeja donde se recoge el agua que vuelve a impulsarse hasta la parte superior para ser pulverizada. Una parte del agua se pierde por evaporación; por ello, y para que la pérdida sea lo menor posible, se colocan los separadores de gotas.
La reposición de agua se realiza por medio de una válvula situada en la alimentación, gobernada por un sistema de control del nivel para determinar cuándo y en qué medida haya que aportar agua de renovación.
Hay que tener en cuenta que el agua que se utiliza en el proceso debe ser analizada para comprobar si es necesario someterla a algún tratamiento químico.

Este tipo de condensadores se emplean en grandes sistemas de refrigeración o en lugares donde la temperatura es elevada.
Las torres de refrigeración son similares a los condensadores evaporativos, con la diferencia de que estas no realizan la condensación del refrigerante, sino que se emplean para enfriar el agua empleada en la condensación, por ejemplo, de condensadores multitubulares.