Historia del Refrigerador
Antes de la invención de los refrigeradores, las personas utilizaban métodos tradicionales para conservar los alimentos. Estos métodos incluían salazón, ahumado y secado. Durante las temporadas de invierno, las personas cavaban agujeros y almacenaban sus alimentos bajo tierra. Sabían que los alimentos se mantenían comestibles por más tiempo cuando se mantenían fríos, pero no sabían por qué.
Las cajas de hielo fueron los primeros dispositivos utilizados como refrigeradores en las décadas de 1860-1890. Cada caja de hielo se fabricaba con madera revestida de zinc y tenía compartimentos para almacenar hielo. Desafortunadamente, el hielo solo duraba una semana antes de necesitar ser reemplazado por un hombre del hielo (¡sí, esta ocupación existía!). Como no había forma de fabricar hielo, los hombres del hielo lo cosechaban durante la fría temporada de invierno y lo almacenaban en casas de hielo hasta que se necesitaba.
La introducción del primer refrigerador comercial ocurrió en 1911. El diseño original utilizaba amoníaco como refrigerante, pero se descubrió que tenía un mal olor si se filtraba y era tóxico al inhalarse. El desarrollo continuó durante las décadas de 1920 y 1930 hasta que el diseño común del frigorífico doméstico estuvo disponible en el mercado; este diseño más moderno utilizaba varios tipos de gas freón.
Refrigerador Doméstico Moderno
Cómo Funcionan los Refrigeradores
Los refrigeradores enfrían el espacio de almacenamiento para artículos perecederos con el fin de ralentizar el crecimiento de bacterias y prevenir el deterioro o la descomposición. Logran este efecto de enfriamiento absorbiendo calor en un área y transfiriéndolo a otra. El proceso forma un ciclo continuo de evaporación y condensación, que son ambos procesos de calor latente.
Calor Latente y Sensible
Lado de Baja Presión y Lado de Alta Presión
La mitad de un sistema de refrigeración reduce la presión y la temperatura del refrigerante. Esta parte del sistema a menudo se denomina lado de baja presión y se centra en el proceso de evaporación (donde el líquido cambia de estado a gas).
La otra mitad de un sistema de refrigeración aumenta la presión y la temperatura del refrigerante. Esta parte del sistema a menudo se denomina lado de alta presión y se centra en el proceso de condensación (donde el gas cambia de estado a líquido).
Un sistema de refrigeración es un sistema cerrado y requiere un refrigerante que cambie de estado/fase repetidamente, de manera segura y eficiente. Todos los sistemas de refrigeración constan de cinco componentes principales: una válvula de expansión, un evaporador, un compresor, un condensador y un termostato.
Partes del Refrigerador
Componentes del Sistema de Refrigeración
Una forma lógica de ver un sistema de refrigeración es comenzar en el punto donde el refrigerante está en estado líquido, luego seguir el refrigerante a través del sistema mientras cambia de estado, presión y temperatura. Tenga en cuenta que el refrigerante se evaporará y condensará durante el ciclo de refrigeración y que esto resulta en que el refrigerante absorba o libere calor (evaporación y condensación respectivamente).
Sistema de Refrigeración
Válvula de Expansión o Tubo Capilar
Una válvula de expansión o tubo capilar marca el comienzo del lado de baja presión del sistema de refrigeración y es el punto donde el refrigerante cambia de estado de líquido a vapor. Los sistemas de refrigeración pequeños utilizan tubos capilares, mientras que las unidades más grandes utilizan válvulas de expansión.
Los tubos capilares se forman enrollando tuberías de cobre varias veces para formar un cilindro en espiral; su diseño es básico, por lo que este artículo se centrará en la válvula de expansión y su funcionamiento. Independientemente del diseño utilizado, el propósito de los tubos capilares y las válvulas de expansión es el mismo, es decir, la reducción de presión y temperatura.
Una válvula de expansión regula cuánto refrigerante se descarga al evaporador. El refrigerante que pasa a través de la válvula de expansión experimenta una caída significativa de presión y temperatura. Para lograr esto, la válvula tiene una entrada, una salida y los componentes internos de la válvula (recorte) instalados entre ellos.
- La entrada admite refrigerante líquido caliente presurizado desde el condensador.
- El propósito de la válvula es regular (estrangular) cuánto refrigerante fluye a través de la válvula. El volumen de refrigerante que pasa a través de la válvula depende del equilibrio de presión que actúa sobre un diafragma dentro de la válvula. Típicamente, el gas de un bulbo sensor que actúa sobre la parte superior del diafragma empuja la válvula para abrirla, mientras que la presión del evaporador y un resorte de presión ajustable en la parte inferior de la válvula actúan sobre el lado inferior del diafragma y causan que la válvula se cierre. El bulbo sensor forma un bucle de retroalimentación, que autorregula el flujo a través de la válvula basado en la presión del sistema después del evaporador. Tenga en cuenta que las posiciones del bulbo sensor y el resorte dentro de la válvula pueden estar invertidas.
- La salida libera un rocío de refrigerante líquido-vapor frío, de baja presión y en ebullición en el evaporador.
Válvula de Expansión Termostática
La mayoría de las unidades de refrigeradores utilizan un bulbo sensor lleno de gas para generar una señal sobre si se requiere más o menos enfriamiento. Cuando el bulbo sensor está más caliente que la temperatura deseada, el gas dentro del bulbo se expande, lo que provoca que la presión actúe sobre el diafragma de la válvula de expansión termostática, lo que hace que la válvula se abra y más refrigerante fluya hacia el evaporador (logrando así más enfriamiento y una temperatura más baja).
Una vez que el evaporador ha eliminado suficiente calor y ha restablecido la temperatura deseada, el gas dentro del tubo capilar se contrae, lo que hace que la válvula de expansión termostática se mueva hacia la posición cerrada.
En resumen, la válvula de expansión recibe refrigerante líquido del condensador y luego reduce su presión, lo que provoca una caída resultante en la temperatura. La presión más baja hace que el refrigerante hierva y se convierta en vapor. El refrigerante está a su temperatura más fría cuando sale de la válvula de expansión. Un bulbo sensor envía una señal a la válvula de expansión termostática y esta señal se convierte en movimiento lineal del diafragma, lo que resulta en que la válvula regule el flujo (estrangulando el flujo).
Evaporador
El evaporador es lo que hace que el interior de los compartimentos del congelador y del refrigerador de un refrigerador esté frío. A medida que el vapor frío y de baja presión del evaporador viaja a través de las bobinas del evaporador, las bobinas frías extraen y absorben el calor del área circundante. Un ventilador está instalado en refrigeradores más grandes para pasar aire a través de las bobinas del evaporador y así aumentar la tasa de transferencia de calor entre las bobinas y el área circundante.
Compresor
El compresor se considera el corazón del ciclo de enfriamiento de un refrigerador y el inicio del lado de alta presión del sistema. Es el contraparte de la válvula de expansión en que el refrigerante está a su temperatura más fría y presión más baja cuando sale de la válvula de expansión, y a su temperatura más alta y presión más alta cuando sale del compresor.
Los compresores vienen en diseños reciprocantes (el más común), rotativos y centrífugos, pero independientemente de su diseño, el propósito de un compresor es aumentar la presión del refrigerante. Los compresores logran esto succionando/extrayendo refrigerante del evaporador, luego aumentando la presión del vapor y descargándolo a un condensador. La compresión del vapor provoca un aumento de su temperatura. El flujo a través del sistema de refrigeración es causado por la diferencia de presión (ΔP) creada por el compresor.
Condensador
En refrigeradores pequeños, el condensador suele ser una serie de tubos o una bobina, y el agente de enfriamiento es el aire. En plantas de enfriamiento más grandes, el condensador suele ser un intercambiador de calor de carcasa y tubos, con el refrigerante fluyendo a través de los tubos (fluido del lado del tubo) y el agua de enfriamiento fluyendo alrededor de los tubos (fluido del lado de la carcasa); el agua de enfriamiento es el agente de enfriamiento.
Enfriador Industrial Moderno
El propósito del condensador es enfriar (eliminar calor) del vapor caliente del refrigerante para que cambie de estado a líquido. En refrigeradores y congeladores pequeños, el condensador se instala típicamente en la parte trasera de la carcasa. La longitud y las configuraciones de las curvas del condensador están diseñadas para expulsar calor mientras se asegura que el refrigerante tenga suficiente tiempo para enfriarse. Al igual que los evaporadores, los condensadores enfriados por aire pueden utilizar un ventilador axial para aumentar la tasa de transferencia de calor entre el aire y el refrigerante.
El refrigerante líquido del condensador se descarga a la(s) válvula(s) de expansión, cerrando así el ciclo del sistema de refrigeración.
Termostato
Un termostato se utiliza para medir la temperatura real dentro del espacio refrigerado y compararla con la temperatura deseada. Los termostatos pueden usar señales mecánicas o electrónicas dependiendo de lo complejo que sea el sistema de refrigeración.
El propósito principal de un termostato es asegurar que se mantenga la temperatura deseada. Logra esto enviando una señal al compresor para que comience o se detenga, si la temperatura es demasiado alta o baja, respectivamente.
Los sistemas que dependen solo de señales electrónicas, tienen relés asociados que inician y detienen el(los) compresor(es). Los sistemas que utilizan señales electromecánicas, generalmente utilizan tiras bimetálicas para iniciar y detener el compresor.
Temperatura, Presión y Punto de Saturación
Para saber si un sistema de refrigeración está funcionando correctamente, las lecturas de temperatura y presión se utilizan como indicadores clave del nivel de saturación de un refrigerante.
El punto de saturación también se conoce como el punto de ebullición, es el punto en el que el líquido no puede almacenar más energía térmica sin comenzar a cambiar de estado. A menudo hay cierta confusión sobre el punto de saturación, las siguientes definiciones deberían ayudar a comprender mejor el tema.
- La temperatura de saturación es la temperatura a la que el líquido hierve y cambia de estado a vapor.
- La presión de saturación es la presión a la que el líquido hierve y cambia de estado a vapor.
- El vapor es gas que contiene algunas gotas de líquido, un calentamiento adicional del vapor hará que el vapor se convierta en gas.
A medida que aumenta la presión del sistema, también lo hace la temperatura de saturación, es decir, el punto en el que el líquido comienza a transformarse en vapor. Por ejemplo, el agua dulce/dulce hervirá a una temperatura inferior a 100°C (212°F) si la presión es inferior a la presión atmosférica (1 bar, 14.5 psi). Del mismo modo, si la presión del sistema se incrementa a 100 bar (145 psi), el agua dulce solo comenzará a hervir a una temperatura mucho más alta que 100°C (212°F). Por lo tanto, al controlar la presión del sistema, es posible controlar la temperatura de saturación del refrigerante y, correspondientemente, su estado en varios puntos dentro del sistema.
Punto de Ebullición Basado en Presión y Temperatura
Las lecturas de temperatura y presión de saturación son especialmente importantes para el evaporador y el condensador porque el refrigerante debe acercarse a la temperatura de saturación para evaporarse o condensarse.
Las relaciones de temperatura, presión y temperatura de saturación se indican en gráficos de temperatura-presión de refrigeración. Dado que cada tipo de refrigerante tiene diferentes propiedades (diferente temperatura de saturación, etc.), se debe elegir el gráfico correcto para el refrigerante correcto.
Detalles del Modelo 3D
Este modelo 3D representa un refrigerador doméstico típico. La invención de los refrigeradores cambió enormemente el curso del desarrollo humano. Ahora es posible almacenar alimentos durante meses antes de su consumo y esto ha liberado a la humanidad de los ciclos de escasez y abundancia asociados con el cambio de las estaciones. Además, ahora es posible enviar alimentos a grandes distancias antes de su consumo; esto ha permitido concentraciones de población enormes en áreas que no podrían haber soportado tradicionalmente una población tan grande. El modelo 3D muestra:
- Compresor
- Evaporador
- Condensador
- Tubo de Expansión (Tubo Capilar)
Cada uno de los componentes principales del refrigerador ha sido resaltado para ayudar a la comprensión.
Referencias
https://www.achrnews.com/articles/94025-refrigerant-pressures-states-and-conditions
https://www.fda.gov/consumers/consumer-updates/are-you-storing-food-safely
https://www.youtube.com/watch?v=RdTG3gjZGpI
https://www.swtc.edu/Ag_Power/air_conditioning/lecture/expansion_valve.html
https://www.hvacrschool.com/flash-gas/
https://tigermechanical.net/blog/how-a-refrigerator-compressor-works
https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works