Los sistemas termodinámicos para producir frío

6.1 INTRODUCCIÓN

Los sistemas termodinámicos para producir frío (Ver figura), son necesarios para la conservación de alimentos, medicamentos, acondicionamiento de ambientes y para el control de la temperatura de procesos exotérmicos. Las necesidades de refrigeración a escala mundial se ven afectadas por diversos factores tales como el agotamiento de las energías convencionales (combustibles fósiles) y la deficiencia en el suministro de la energía eléctrica debido en gran medida a la falta de infraestructura, como consecuencia de los altos costos de inversión y de la dificultad para el acceso a ciertas zonas de topografía especial, principalmente para regiones habitadas pero alejadas de las grandes metrópolis.

En Colombia, gran parte de la población requiere de un sistema de refrigeración para lograr los niveles de confort adecuados, la conservación de los alimentos y el desarrollo económico de ciertas regiones que tienen necesidades de conservación en frío de sus productos. Los estratos uno, dos y tres de las zonas urbanas y las zonas rurales de topografía especial son los menos favorecidos porque no tienen acceso a la tecnología.

El uso de sistemas de refrigeración demanda altos consumos de energía, sobre todo de energía eléctrica. Por lo tanto, es relevante buscar estrategias conducentes al ahorro energético y al uso eficiente de la energía para garantizar la sustentabilidad y la competitividad en la empresa.

6.1.1 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

Los sistemas de refrigeración consisten en ciclos termodinámicos (Ver figura), mediante los cuales es posible tomar un flujo de calor de una fuente de baja temperatura y trabajo u otra fuente de energía para transmitir calor a un sumidero de mayor temperatura. El ciclo termodinámico se realiza utilizando una sustancia de trabajo que se denomina refrigerante, la cual cambia de estado durante el ciclo, permitiendo la transferencia de calor mencionada.

6.1.2 ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

El acondicionamiento del aire es el proceso de tratamiento necesario para mantener las condiciones ambientales de temperatura, humedad relativa, movimiento y limpieza del aire de un lugar en los valores deseados para garantizar el confort o el grado de higiene requerido (Ver ejemplo de un equipo de acondicionamiento de aire en la figura).

6.1.3 CARGA TÉRMICA

La carga térmica es la cantidad de calor que un sistema debe retirar de un producto o de un recinto que se desea refrigerar (Ver figura). La carga corresponde al calor sensible procedente del exterior o los alrededores, a la aportada por el producto a enfriar, a la carga sensible interna debida a equipos como los motores, infiltraciones de aire caliente en el sistema, etc.

6.1.4 TONELADA DE REFRIGERACIÓN

La tonelada de refrigeración se define como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas (Ver figura). Puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada americana (2.000 libras) de hielo, o sea 288.000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da una cantidad de 12.000 BTU/h, que recibe el nombre de “Tonelada de Refrigeración”, equivalentes a 3.024 Kcal/h o 3,516 kW.

6.1.5 SUMIDERO

El sumidero es el lugar en el que se deposita el calor residual del proceso de refrigeración, generalmente este lugar es el aire de la atmósfera o una corriente de agua (Ver figura).

6.1.6 TEMPERATURA DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

La temperatura (Ver Sección 1.3.2.3) es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía en forma de calor (Ver figura). También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro.

6.2 FLUIDOS DE TRABAJO – REFRIGERANTES

Los refrigerantes son todos aquellos fluidos que se utilizan para transmitir el calor en un sistema frigorífico (Ver figura), que absorben calor a bajas temperaturas y presiones, y lo ceden a temperaturas y presiones más elevadas, generalmente con cambios de estado del fluido. Son cualquier sustancia que absorbe calor de un cuerpo o sustancia enfriándolo.

6.2.1 CLASIFICACIÓN

Existen varias formas de clasificar los refrigerantes según diferentes criterios. De acuerdo con el grado de seguridad, teniendo en cuenta su toxicidad, reactividad y límites de explosión; de acuerdo con su función, dependiendo si se usa directamente en el sistema, o si es solo un agente para transportar el frío que se produce con otro refrigerante; y con base en su composición química (Ver figura).

6.2.1.1 SEGÚN EL GRADO DE SEGURIDAD

Los fluidos refrigerantes pueden clasificarse en tres grupos dependiendo del grado de seguridad o peligrosidad de los mismos (Ver figura a) de la siguiente manera:

• Grupo primero.

Corresponden a este grupo los refrigerantes que no son combustibles, cuyos efectos sobre la salud son despreciables (Ver figura b).

• Grupo segundo.

Corresponden a este grupo los refrigerantes que son tóxicos o corrosivos o que al combinarse con el aire, en una porción del 3,5% o más en volumen, pueden formar una mezcla combustible o explosiva (Ver figura c).

• Grupo tercero.

Corresponden a este grupo los refrigerantes que al combinarse con el aire en proporción inferior al 3,5 % en volumen pueden constituir una mezcla combustible o explosiva (Ver figura d).

6.2.1.2 SEGÚN SU FUNCIÓN

Según su función los refrigerantes se pueden clasificar en primarios y secundarios (Ver figura); los primarios son aquellos que absorben calor al evaporarse a

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