Ciclos de Refrigeración

Los dispositivos que producen refrigeración se llaman refrigeradores, y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración. Los refrigeradores enfrían aprovechando el hecho de que los líquidos al evaporarse producen frío, como cuando un poco de alcohol se evapora de la piel.

El ciclo de refrigeración que se utiliza con más frecuencia es por compresión de vapor, donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otro ciclo de refrigeración es el de gas en el que el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa, por otro lado, también se encuentra el ciclo de refrigeración en cascada, la cual utiliza más de un ciclo de refrigeración, aparte otro ciclo de refrigeración estudiado es por absorción, donde el refrigerante se disuelve en un líquido antes de comprimirse.

Principio de funcionamiento

En el mercado existen unos líquidos llamados refrigerantes que se evaporan más fácilmente que el agua o el alcohol. Entre ellos esta el freón o R 12, que es el más conocido o usado.

Este sistema consta de unos tubos que salen y regresan a una compresor; durante su recorrido el refrigerante se evapora continuamente y se hace líquido una y otra vez.

En la figura 1 se muestra dos secciones, una de color roja que representa la línea de alta presión y otra de color azul que representa la línea de baja presión. 

La sección de alta presión el refrigerante que sale del compresor en forma de gas, entra a la tubería del condensador donde se vuelve líquido debido al proceso de intercambio de calor donde el refrigerante pierde calor por medio de la convección con el aire.

La sección de baja presión, que es donde el refrigerante se evapora y se vuelve gas, está compuesta por el evaporador o congelador y la línea de retroalimentación.

El proceso inicia en el compresor que por un lado succiona el refrigerante vaporizado, por el otro lado descarga con presión. Del condensador el refrigerante pasa a un filtro que retiene impurezas, enseguida penetra un tubo muy delgado llamado capilar que controla la dosificación del refrigerante en el evaporador. Al final del tubo capilar la presión del refrigerante líquido está en su máximo nivel. Cuando el refrigerante entra al evaporador donde hay baja presión se expande, hierve, se convierte en vapor, absorbe calor del gabinete y enfría. Este proceso se mantiene hasta que el gabinete del refrigerador está suficientemente frío y un termostato detiene el motor, que sólo se vuelve a encender cuando la temperatura del gabinete se eleva.

Descripción de componentes importantes 

Condensadores: El condensador es una tubería ondulante o serpentín donde el gas a presión que sale del compresor se transforma en líquido. Al compactarse, esto es, al reducirse su volumen, el gas produce calor. Así, el gas que venía frío en el retorno, se calienta al comprimirse en el condensador y allí mismo se enfría, para pasar a ser un líquido, en vez de gas. Enfriarse es perder calor y el condensador está hecho de tal forma que el calor que el refrigerante transmite al cobre de las tuberías, se disipa en el aire. En el condensador el refrigerante pierde no sólo el calor que genera la compresión, sino también el calor que absorbió en el evaporador.

Para ayuda a que el aire disipe el calor, las tuberías del condensador va unidas ya sea a una lámina, a una serie de laminillas o a un metal como panal, semejante al de los radiadores de los automóviles. 

En los refrigeradores domésticos el aire puede quitar el calor al condensador de dos maneras: por convección y forzada. Por convección, el aire que rodea al condensador se renueva de manera natural porque sube al calentarse, creando una corriente ascendente, un efecto como de chimenea. La ventilación forzada se logra colocando un ventilador que arroja aire al condensador.

Filtros: Entre el condensador y el tubo capilar se coloca un filtro para retener las impurezas que puede llevar el refrigerante, entre ellas el agua que al cristalizarse, podría tapar el evaporador. Por ello, algunos de estos filtros se llaman deshidratadores, pues además retienen la humedad. 

Los filtros consisten en un tubo de cobre dentro del que va una malla gruesa sílica gel para absorber y retener la humedad y una malla fina. No remueve grandes cantidades de agua, sino muy pequeñas. La humedad del sistema se debe eliminar antes con una bomba de vacío, para luego soldar el filtro al final de la tubería del condensador. Algunos sistemas comerciales no llevan el filtro soldado sino fijo mediante una tuerca unión. 

Capilares: Los tubos capilares o restrictores capilares, llamados así por el pequeño diámetro de su orificio, que no llega a ser el de un cabello, pero sí de un tercio a medio milímetro, van colocados entre la salida del filtro deshidratador y el evaporador.

Este tubo con un diámetro tan pequeño particularmente al compararlo con el diámetro del tubo del condensador, tiene varias funciones. Una de ellas  causar una caída de  presión, otra propiedad del capilar es completar la condensación, es decir, hacer que el poco gas que pueda circular todavía por el condensador, acabe de convertirse en líquido dentro del capilar. 

Finalmente el capilar tiene la función de disipar completamente el calor del refrigerante. Para ello, el delgado tubo, con una longitud de 2.80 a 3.10 m, va unido, pegado a todo lo largo de la línea de retorno, que lleva el gas frío de regreso al compresor. 

Esta unión del capilar con la línea de retorno, que se conoce como intercambiador de temperatura se hace de fábrica con soldadura de estaño. Cuando el tubo capilar se sustituye por uno nuevo generalmente se enrolla en espiral sobre la línea de retorno, en vez de soldarse.

Los capilares también controlan y regulan el flujo del refrigerante líquido al evaporarse y mantienen un equilibrio entre la sección de alta y baja presión, además de que impiden que se forme escarcha en la línea de retorno. 

Evaporadores: El evaporador también conocido como congelador es el lugar donde se produce el frío. El evaporador es el inicio de la sección de baja presión. Efectivamente la succión del compresor hace que dentro de la línea de retorno y en el evaporador haya poca presión, esto es, una especie de vacío. 

Cuando el refrigerante líquido llega con gran presión al final del capilar y entra al evaporador, que se encuentra a baja presión, el líquido se expande súbitamente, comienza a hervir y se vaporiza, con algunas gotas líquidas. 

Al volverse gas el refrigerante absorbe calor del gabinete y lo enfría. En su recorrido por el evaporador, las pequeñas gotas de refrigerante terminan por gasificarse, de manera que cuando el refrigerante entra a la línea de succión es solamente gas.

El evaporador puede asumir muchas formas: de concha, de anaquel, de pared y de aire forzado, sin escarcha.

Línea de succión: La línea de succión lleva el refrigerante del evaporador al compresor. Es un tubo con diámetro suficientemente grande para conducir el gas con la menor resistencia pues, además, bajo directo, casi ocurre de la salida del acumulador a la entrada del compresor. 

Compresor: El compresor es el corazón del refrigerador. Succiona el gas de la sección de baja presión y lo envía con fuerza dentro del condensador y al resto de la sección de alta presión. 

En muchos de los sistemas comerciales el motor se conecta al compresor por medio de una banda, pero en los domésticos, el motor va unido directamente al compresor, encerrado todo dentro de una caja metálica herméticamente o calabazo, montada sobre unos resortes, para evitar que la vibración se sienta fuera de la caja.

El mecanismo más común para succionar y comprimir el refrigerante es mediante el vaivén de un pistón que al bajar chupa y al subir comprime.

El refrigerante entra y sale del pistón a través de válvulas o laminillas. Cuando el pistón desciende, se abre la válvula de succión, cuando hace el movimiento de regreso se cierra esa válvula y se abre la de compresión que envía gas al condensador. 

El pistón es accionado en un vaivén que sube y baja mediante un cigueñal que convierte el movimiento rotatorio del motor en un movimiento rectilíneo, por medio de una biela. Todo ello lubricado con un aceite especial que hay dentro del compresor. 

Refrigerantes: Los refrigerantes se identifican por un número precedido por la letra R. El R12 es el más conocido y usado en refrigeración, es una sustancia que hierve a -29ºC a presión atmosférica y no se afecta por el aceite del compresor. No es corrosivo, ni inflamable, ni irritante y se vende en tanques de color blanco, a diferencia del R22, este es más usado en aire acondicionado y su tanque es verde, mientras que el R502 es púrpura, el R500 amarillo y el R11 naranja. Mientras los refrigerantes esten dentro de un sistema dee refrigeración no contaminan, pero dispersos en la atmósfera resultan sumamente dañinos. 

Termostatos: El control de la temperatura es el circuito que gobierna la operación del compresor. Los refrigeradores trabajan entre 8 a 14 horas diarias durante periodos de 5 a 10 minutos, a fin de mantener la temperatura del gabinete entre 2 y 7ºC y  del congelador entre -15 y -34 ºC. 

En los refrigeradores domésticos se usan dos tipos de termostatos: los de bulbo sensor y los bimetálicos.

Los termostatos de bulbo sensor actúa por la expansión y contracción del vapor contenido en un fuelle o diafragma metálico. Al elevarse la temperatura del gabinete, el gas se expande activando un contacto eléctrico el cual enciende el compresor.

Al enfriarse el gabinete, la presión del gas dentro del fuelle disminuye y se contrae, desconectando el interruptor del compresor, que entonces deja de trabajar hasta que la temperatura vuelve  a subir y el termostato enciende de nuevo el motor.

Termostato de bulbo.

     

El termostato bimetálico está hecho con un par de metales por coeficiente de expansión diferentes como el acero y el cobre o bronce. Cuando las barras metálicas unidas por un respaldo se calienta, una de ellas, la de cobre, se expande más aprisa que la de acero, con los que los metales se doblan.

Termostato bimetálico