La criogenia y la refrigeración

La criogenia y la refrigeración

Entre los dos procesos conocidos como criogenia y refrigeración existen diversas similitudes y diferencias. Por ello, aclarar sus aplicaciones, virtudes e inconvenientes puede permitir una mayor apertura para el trabajo de ambos sectores en la industria.

Alejandro Morales Peñaloza y Gilberto Pérez Lechuga.

La historia de la refrigeración y la criogenia están estrechamente relacionadas, pues ambas ayudaron a consolidar muchos conceptos de la física teórica y la termodinámica; por ejemplo, las diferencias entre energía, calor y temperatura; la asociación de entropía y flujo de calor; las ideas abstractas de escala absoluta de temperatura y de estado cuántico de la materia, entre otras.

La mayoría de los conceptos anteriores tardaron alrededor de 200 años en madurar y comprenderse. Un caso curioso es que los termómetros se inventaron sin saber exactamente qué era lo que se media con ellos.

En adición a esto, el estudio de la materia a muy bajas temperaturas llevó al descubrimiento de nuevos fenómenos y tecnologías en áreas muy diversas de la ciencia, lo que abrió una gama de aplicaciones y nuevos desarrollos en la ciencia y la ingeniería, a tal grado que existe un lenguaje derivado de la misma raíz: tecnología criogénica o cryotecnología; ingeniería criogénica o cryoingeniería; criofísica, criobiología, crioconservación, crionia, cryotempering, cryotribology, cryomilling, cryoSEM, crioválvula, por mencionar algunas.

Por ello, aunque la raíz etimológica de criogenia se refiere también a refrigeración (del griego frío y generación, es decir, “generación del frío”), se utiliza de manera exclusiva en el ámbito de las temperaturas inferiores a 120 °K.

Actualmente, a la criogenia se le considera como la rama de la ciencia que estudia los mecanismos de producción, mantenimiento y utilización de bajas temperaturas. El criterio para el uso del término “crio” o “cryo” en las diversas áreas de la ciencia es que el objeto de estudio se encuentre por debajo de los 120 °K, mientras que en el campo tecnológico la restricción es que el fluido o mecanismo se use en esas condiciones. Por ejemplo, para el caso en que un sensor se use a bajas temperaturas, pero la electrónica opere a temperatura normal, no se considera apropiado el uso del término criogénico.

Los ciclos termodinámicos

Cualitativamente, podría decirse que el ciclo termodinámico es el mismo para un refrigerador y un licuefactor; sin embargo, en la práctica, el segundo maneja presiones más elevadas y temperaturas más bajas, por lo que requiere diseños más robustos, mejores materiales y estrategias de aislamiento térmico más elaboradas.

Además, para maximizar la capacidad de enfriamiento, el refrigerador requiere condiciones de operación que mantengan el fluido entre el punto crítico y el punto triple, aprovechando así la entalpía de evaporación; mientras que el licuefactor busca condiciones de presión y temperatura que permitan condensar el fluido (μ π > 0), o realizar un pre-enfriamiento.

Básicamente, todos los ciclos comprimen o expanden un gas, y cada uno puede realizarse de diversas formas:

Adiabáticamente: aislados del medio externo

Isotérmicamente: en contacto con el ambiente

Isobáricamente: la absorción o disipación de calor se realiza a presión constante e implica un cambio de volumen

De la manera secuencial en que se presenten estos procesos es como se conforman los diferentes ciclos termodinámicos, aunque en la práctica no es fácil discernir el comienzo y fin de un proceso, o simplemente se llevan a cabo en paralelo.

En los sistemas de refrigeración y criogenia modernos, se están introduciendo nuevas tecnologías y principios

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