Calor latente de vaporización

En un ciclo de refrigeración de compresión de vapor, el fluido refrigerante podría definirse como el encargado de transportar el calor desde la evaporadora hasta la condensadora, donde es rechazado al exterior.

En este punto podríamos plantearnos la siguiente inquietud: ¿Cómo puedo conocer que tan buen desempeño tiene un determinado fluido refrigerante?

Para responder esta inquietud usemos la misma analogía del capítulo anterior: Un ciclo de refrigeración de compresión de vapor se comporta de forma similar a un sistema de transporte público que tiene tan solo dos estaciones en la ciudad, una al sur y otra en el norte. Nuestro bus recoge los pasajeros en la estación sur y los lleva hasta la estación del norte, donde estos se bajan. El bus vacío regresa nuevamente a la estación sur, y así se inicia el ciclo nuevamente, recogiendo las personas en la estación sur y descargándolas en la estación norte.  

Analizando nuestra analogía podemos ver que el bus realiza las mismas funciones del fluido refrigerante, es decir es un medio de transporte.  Las personas a su vez corresponden al calor, las cuales son movilizadas de una estación a otra, (de la evaporadora, donde se absorbe, a la condensadora donde se rechaza).

 Figura 1. Sistema de transporte = Ciclo de refrigeración

Ahora supongamos que en lugar del bus vamos a usar un auto compacto para realizar esta misma función, transportar las personas desde la estación sur a la estación norte. ¿Cuál de los dos, el bus o el auto, realiza esta labor de manera más eficiente?

Figura 2. Bus vs. Auto

Con fines prácticos del ejemplo, y para simplificar nuestro análisis, vamos a suponer que tanto el bus como el auto tienen las mismas características de consumo de combustible, y que ambos viajan a la misma velocidad.  Con esto en mente detengámonos a analizar la situación.

Supongamos que el bus tiene una capacidad para 100 personas, es decir que en un viaje o ciclo, moviliza 100 personas de una estación a otra, en contraste el auto compacto solo puede llevar 5 personas por ronda.

Rápidamente podemos concluir que el bus se convierte en la alternativa más eficiente para esta misión ya que en un solo viaje recoge y moviliza 100 personas, 20 veces más que las movilizadas por el auto, el cual solo puede mover 5 personas, o en otras palabras, el auto requerirá realizar muchos más viajes, (20 trayectos), para movilizar el mismo número de personas que lleva el bus en un solo recorrido.

En el caso de los refrigerantes sucede igual. Existen fluidos capaces de absorber más calor, por unidad de masa, que otros.  Esta propiedad se denomina como el calor latente de vaporización. Esta medida nos indica cuanto calor es capaz de absorber cada kilogramo de fluido refrigerante, a unas condiciones dadas de presión y temperatura.  En nuestro ejemplo el bus tendría un calor latente de vaporización mucho mayor que el auto compacto, toda vez que es capaz de recoger y mover más personas.

El calor latente de vaporización se utiliza para calcular el flujo másico de refrigerante (kg/seg) requerido por un sistema o equipo. Entre más alto sea este valor, menor será el flujo másico.

Tomemos como ejemplo los refrigerantes R-290 (propano) y R-22.  El R-290  tiene un valor de calor latente de vaporización que duplica el del R-22, (Figura 3), consecuentemente un equipo requeriría aproximadamente de la mitad del flujo másico con R-290, es decir el equipo se cargaría con el 50% aprox. de la carga que se emplearía con R-22.  

Figura 3. Calor Latente de Vaporización Vs. Temperatura de Saturación.

En conclusión, uno de los atributos más deseables del fluido refrigerante es que tenga un alto valor de calor latente. Entre más alto sea este valor, menor será el caudal másico de refrigerante (Kg/seg), lo que permitiría utilizar equipos más pequeños y/o con menor consumo de energía. 

Principios básicos de los fluidos refrigerantes

Entendamos que es un refrigerante

¿Qué es un refrigerante?

Intentaré dar respuesta a esta pregunta a través de unos sencillos ejemplos. 

Imaginemos que accidentalmente tocamos con nuestro dedo índice una superficie caliente, instintivamente buscaremos la forma de aliviar el dolor, algunos dirán que se soplarán el dedo, otros no vacilarán en meterlo a la boca, algunos se rociarán con agua fría, se frotarán con un hielo o se aplicarán una crema que apacigüe el dolor. De forma intuitiva hemos mencionado varias sustancias refrigerantes, el aire, la saliva, la crema, el agua, el hielo, etc. Todas estas sustancias han logrado aplacar nuestro malestar al “enfriar” la zona afectada y al “remover” el exceso de calor de nuestra piel. 

Este mismo fenómeno lo notamos en la transpiración, mecanismo natural que usa el cuerpo para regular su temperatura. El sudor producido, al evaporarse, absorbe el calor de nuestra piel.

Supongamos otra situación. Ahora estamos tomando un vaso de refresco en un día caluroso, pero este no está tan frio como quisiéramos, por lo que agregamos un par de cubos de hielo a nuestra bebida.  Al cabo de unos minutos algo interesante ha sucedido, nuestro refresco se ha “enfriado”, y los cubos de hielo han desaparecido, se han derretido!!!  

Lo que ha sucedido realmente es que ha habido una transferencia de calor, donde los cubos de hielo han “absorbido” calor, mismo que ha sido cedido por el refresco.  Como resultado de este proceso hemos logrado nuestro objetivo, bajar la temperatura de la bebida, pero adicionalmente tenemos una segunda consecuencia, los cubos de hielo han cambiado de fase, pasando de un estado sólido a un estado líquido.

Con esto en mente tenemos las bases suficientes para intentar dar respuesta a nuestra pregunta inicial.

Un refrigerante, por definición, es cualquier sustancia capaz de “absorber” calor de un medio, u objeto, “enfriándolo”. 

Sin embargo un refrigerante no solo es capaz de absorber calor, sino que también puede cederlo.  Tomemos como ejemplo un proceso de destilación, en donde el vapor, al pasar por un condensador, baja su temperatura hasta alcanzar su punto de rocío, cambiando así de estado gaseoso a estado líquido. En este caso el vapor ha cedido calor.  Este proceso se conoce como condensación, y es el opuesto al proceso de evaporación. 

En este punto hagamos un paréntesis y recordemos el ciclo de refrigeración mecánica por compresión de vapor, el cual cuenta con cinco elementos esenciales:

1. Evaporadora
2. Compresor
3. Condensadora
4. Dispositivo de expansión, (válvula de expansión, capilar, orificio, etc).
5. Y por último, pero no menos importante, el fluido refrigerante, el cual viaja en un circuito cerrado dentro del sistema.

Figura 1. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Sigamos la pista del refrigerante dentro del sistema. Arbitrariamente tomemos como punto de partida la entrada del evaporador, en este punto el refrigerante se encuentra en estado líquido, a baja presión y baja temperatura. Al pasar por el evaporador el refrigerante absorbe calor del medio circundante y como consecuencia el refrigerante se evapora, pasando de fase líquida a vapor, (evaporación). 

A la salida del evaporador el fluido refrigerante sale en fase gaseosa, a baja temperatura y baja presión, y va al compresor, el cual comprime este vapor, aumentando su presión y por ende su temperatura.

 

El vapor a alta temperatura y presión entra al condensador en donde el refrigerante cede calor al medio circundante, y como resultado cambia de fase nuevamente, pasando de vapor a líquido, (condensación).

Este líquido entra al dispositivo de expansión, (puede ser un capilar, válvula de expansión u otro), el cual estrangula el fluido, disminuyendo su presión y su temperatura, cerrándose así el ciclo en nuestro punto original de partida a la entrada del evaporador.

El ciclo de refrigeración es similar a un sistema de transporte.  Imagine por un instante un sistema de bus para el transporte urbano, que tiene tan solo dos estaciones, (o paradas), en la ciudad, una al sur y otra en el norte. Nuestro bus imaginario llega desocupado a la primera estación en el sur, donde recoge los pasajeros que esperan. El bus arranca y va a través de la troncal hasta la estación del norte, allí los pasajeros han llegado a su destino y se bajan, quedando el bus vacío nuevamente. El bus regresa entonces a la estación del sur donde más pasajeros lo esperan para subirse y ser transportados hasta la estación norte.  Durante todo el día el bus imaginario hace este mismo ciclo, transportando pasajeros de la estación sur a la estación norte.   

Figura 2. Sistema de transporte urbano.

Analicemos detenidamente la anterior analogía.  Nuestro bus imaginario es un sistema de transporte que moviliza personas de un lugar a otro. Si lo pensamos bien nuestro ciclo de refrigeración tiene un objetivo similar, mover el calor de un lugar a otro. En este caso el refrigerante hace la función del bus, es decir es un medio de transporte, capaz de trasladar el calor desde la evaporadora, donde el refrigerante absorbe el calor del medio circundante, y lo lleva hasta la condensadora, donde el refrigerante cede o rechaza el calor al medio circundante.

Personas à Calor Bus, sistema de transporte, moviliza personas. à Refrigerante, sistema de transporte, moviliza calor. Estación sur, donde se suben las personas. à Evaporadora, donde se absorbe el calor. Estación norte, donde se bajan las personas. à Condensadora, donde se cede o rechaza el calor.

En conclusión: Desde el punto de vista del ciclo de refrigeración por compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor, desde donde lo absorbe por ebullición, (a baja temperatura y presión), hasta donde lo rechaza, o cede al condensarse, (a alta temperatura y presión).