El refrigerador funciona a partir de los siguientes conceptos:
A menor temperatura, menor energía cinética en átomos y moléculas… a mayor temperatura, mayor energía cinética en átomos y moléculas.
A baja temperatura, los átomos y las moléculas pueden formar arreglos rígidos que permiten que tengamos sólidos.
Si por ejemplo tenemos agua congelada, tenemos arreglos cristalinos… al ir aumentando la energía, los átomos y moléculas necesitan moverse más, hasta que llega el punto en que se requiere romper los arreglos moleculares… esta “ruptura” que normalmente llamamos “cambio de fase” consume mucha energía después de lo cual tenemos agua líquida, si seguimos agregando energía, volveremos a tener una “ruptura” para liberar las moléculas y tendremos vapor. Una vez más , esta “ruptura”, que también llamamos “cambio de fase” requiere mucha energía.
Dependiendo de la dirección del cambio de fase, si va de sólido a líquido o líquido a vapor, o de regreso, de vapor a líquido y de líquido a sólido… nuestro sistema con agua liberará energía o la extraerá de lo que tenga cerca.
Cuando nosotros sudamos, tenemos agua líquida sobre nuestra piel que para evaporarse, extrae esa energía que requiere de nuestra piel y nos refresca. A esto le llamamos: refrigeración evaporativa. Significa que tenemos un proceso de evaporación que extrae energía y por lo tanto disminuye la temperatura.
Seguramente has calentado agua en el fuego hasta que hierva.. o al menos has visto a alguien hacerlo. Esta experiencia nos dice que a mayor temperatura, más vapor sale del agua caliente… o dicho de otro modo más agua líquida cambia de fase líquida a vapor.
Los cambios de fase no sólo ocurren por un tema de temperatura, también dependen de la presión. De hecho, jugar con la presión en un sistema cerrado (donde el gas no se te puede escapar) tendrá como consecuencia también un cambio en la temperatura.
Por ejemplo, si tienes un gas en un volumen cerrado y comienzas a aplicarle trabajo para comprimirlo forzando que las moléculas se acerquen unas con otras, el gas se calienta… si alguna vez le has puesto aire a la cámara de una llanta de bicicleta es posible que hayas notado este efecto de calentamiento.
Si en lugar de eso expandes el gas… de repente puede ocupar mucho más volumen (porque eso es lo que hacen los gases, ocupan todo el volumen que tienen disponible) y la energía calorífica en sus moléculas ahora se divide en un volumen mucho mayor, por lo que la temperatura del gas baja.
El proceso de compresión y expansión de un gas, se puede hacer hasta lograr cambios de fase.. esto es útil porque los cambios de fase son los momentos en que una sustancia, por cambiar su estructura, libera o extrae más calor.
Como dato cultural te propongo un experimento. Quizás tengas en casa una jeringa sin aguja. Lo que tienes que hacer es sacar el émbolo de la jeringa y mojarlo… lo insertas de regreso en la jeringa y lo avanzas hasta casi llegar a la punta… sellas el extremo de la jeringa con silicón caliente y luego jalas y empujas el émbolo mientras observas el agua en el interior de la jeringa… si está bien sellada deberías poder ver que cuando jalas el émbolo el agua se evapora y cuando lo presionas se vuelve líquida de nuevo: se condensa.
Cómo funcionan estos conceptos juntos en el refrigerador:
Los elementos fundamentales del refrigerador son:
Una válvula de expansión, tubería de evaporación, un compresor y tubería de condensación.
Empezamos en la válvula de expansión, en este punto llega refrigerante líquido pero se disminuye la presión súbitamente para que se evapore… este cambio de fase toma energía de sus alrededores.
Así como cuando nosotros sudamos y al evaporarse el sudor se refresca nuestra piel… en este caso, la evaporación del refrigerante requiere energía y esa energía se obtiene de la zona interior del refrigerador con lo cual la temperatura de los alimentos baja.
Esto sucede típicamente en la zona del congelador, la parte donde es más importante mantener a bajas temperaturas. Este gas va fluyendo a lo largo del evaporador, hasta llegar al compresor, el compresor, como su nombre lo dice… comprime el gas, y lo empuja hacia el condensador… en el condensador, el gas se CONDENSA a líquido con lo que hay otro intercambio de calor, en este punto el cambio de fase libera energía. El condensador es esta zona que podemos ver en la parte trasera del refrigerador y que típicamente se siente cálida…conforme el refrigerante a alta presión y en fase líquida avanza por el condensador se va enfriando al disipar energía hacia la cocina…
hasta que llega a la válvula de expansión de nuevo, donde se le disminuye la presión súbitamente, se evapora y absorbe calor una vez más…
Este ciclo se repite y se repite y se repite…
El refrigerador también cuenta con un termostato que monitorea la temperatura dentro del refrigerador. Si el refrigerador ya se enfrió a la temperatura deseada, el compresor se apaga y el refrigerador se queda en pausa hasta que la temperatura se sale de las especificaciones esperadas y entonces se reanuda el ciclo encendiendo el compresor. ¿Cómo sabemos que el compresor está encendido? Porque es ese sonido de motor que típicamente identificamos cuando el refrigerador está encendido.
Cómo funciona la válvula de expansión
La válvula suele tener un sensor que se coloca algunos metros de distancia siguiendo la tubería de la zona del evaporador. Esta medición le permite a la válvula ubicar si está llegando líquido todavía o sólo vapor en ese punto… si llegara líquido al compresor lo va a descomponer porque el compresor no puede comprimir líquido.
Entonces, si está fluyendo sólo vapor, el flujo que permite pasar la válvula de expansión es adecuado… si está llegando líquido entonces la válvula debe dejar pasar menos fluido porque hay más fluido disponible que el calor que alcanza a absorber.
¿Cómo es que la medición de temperatura le dice esto a la válvula?
Se requiere mucha energía para cambiar de fase, si llegamos a la temperatura de cambio de fase y todavía el fluido se enfría más… estamos bien.
Y quizás te preguntes: pero cómo le hace el sensor de la válvula para saber eso y comunicarlo a la válvula? acaso es un sistema electrónico super sofisticado? Bueno, actualmente sí se usan sensores electrónicos pero por mucho tiempo los refrigeradores usaron algo distinto. Se conectaba al diagrama de la válvula de expansión un bulbo lleno también de refrigerante que se colocaba en alguna posición del evaporador. El refrigerante del bulbo NO se mezcla con el refrigerante que circula por el refrigerador… sólo es para el sensor. Si está suficientemente frío donde se pone el sensor o bulbo, éste será predominantemente líquido… si no es suficientemente frío, el refrigerante en el bulbo se evaporará y ese vapor hará presión en la válvula, esta presión en el diagrama de la válvula abre el flujo del refrigerante para que pase más, teniendo entonces más sustancia para bajar la temperatura. Si en cambio está pasando demasiado refrigerante y todavía llega en fase líquida, entonces el refrigerante en el bulbo también será predominantemente líquido, lo que evitará que se presione el diafragma de la válvula y se reducirá el flujo que deja pasar.
Cómo funciona el compresor
El compresor es esencialmente un motor con un pistón.
Al compresor ingresa gas, el gas expande el pistón y para cumplir el ciclo, el motor empuja el pistón de regreso, al hacer esto el gas se comprime de manera que del compresor sale gas a alta presión listo para cambiar de fase intercambiando calor a lo largo del condensador.
¿Bajo qué criterios se elige un refrigerante?
1 Desempeño – esto tiene que ver con las propiedades físicas del fluido, la energía que absorbe y libera en los cambios de fase y su densidad gaseosa.
Hay sustancias que requieren mucha energía para hacer ese brinco en su estructura… no es una regla tal cual, pero en general entre mayor sea el punto de ebullición de una sustancia, esto es la temperatura a la cual pasa de líquido a gas, menos calor absorbe para el cambio de fase… por otro lado, la densidad es relevante porque estamos hablando de un fenómeno de transferencia de calor… para transferir calor se requieren choques moleculares a partir de los cuales se “contagie” la energía cinética de una molécula a otra… si disponemos de un fluido de poca densidad eso significa que tenemos mucho espacio hueco entre las moléculas, si tenemos un fluido de mayor densidad significa que los choques entre las moléculas serán más frecuentes.
2 Seguridad – no queremos que el refrigerante sea fluido flamable o tóxico en caso de que haya una fuga.
3 Confiabilidad – la confiabilidad tiene que ver con la estabilidad química y su compatibilidad con los materiales en todo el sistema. No queremos que el refrigerante se empiece a degradar en las temperaturas o presiones de operación, tampoco nos va a servir una sustancia que sea corrosiva o que hinche los elastómeros y plásticos de la válvula de expansión. También debe mezclarse bien con el lubricante del compresor que como ya mencionamos, tiene una parte móvil y por lo tanto lleva lubricante.
4 Aceptabilidad ambiental – como ya mencionamos en el video sobre las batallas científicas de Mario Molina, debemos trabajar con sustancias que no destruyan la capa de ozono.
y número 5 Economía simple… un refrigerante puede ser muy bueno pero si es excesivamente caro no nos conviene utilizarlo porque la idea es que todo el mundo pueda tener un refrigerador en casa.
Un dato extra:
Dado que la parte posterior de tu refrigerador libera calor, sería útil que no lo tengas en un espacio donde no pueda disiparse ese calor fácilmente.. o sea, es mejor que pueda circular el aire.
No lo pongas tampoco junto al horno encendido, la estufa, el lavavajillas o junto a la ventana donde le dará la radiación directa.
Referencias
Gopalnarayanan, S. (October 1, 1998). «Choosing the Right Refrigerant.» ASME. Mechanical Engineering. October 1998; 120(10): 92–95. https://doi.org/10.1115/1.1998-OCT-6
How the fridge works. Retrieved from https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works/
Imágenes usadas con licencia CC:
Physical Properties of Ice (caltech.edu)
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