Estados de Agregación, Ciclos de Compresión y Fluidos Refrigerantes: Conceptos Clave

Cambios de Estado de Agregación

Las sustancias puras pueden encontrarse en distintos estados de agregación (fluidos):

• Estado sólido
• Estado líquido
• Estado gaseoso

De líquido a sólido es solidificación, de sólido a líquido es fusión, de sólido a gaseoso sublimación, de gaseoso a sólido cristalización, de gaseoso a líquido condensación y de líquido a gaseoso vaporización.

Estados Especiales del Agua

• Líquido subenfriado: Agua en estado líquido a una temperatura inferior a 100ºC. Aunque se aporte calor, no se evapora, solo aumenta la temperatura.
• Líquido saturado: Agua en estado líquido a 100ºC. Si se aporta más calor, se evaporará.
• Vapor sobrecalentado: Vapor a una temperatura superior a 100ºC. Se necesita ceder mucho calor para que se condense.
• Vapor saturado: Agua en estado gaseoso a 100ºC. Si se cede calor, comenzará a condensarse, formando agua.

Termodinámica y Leyes de los Gases

La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa.

• Entalpía: Cantidad de energía que se almacena en forma de presión y temperatura (KJ/Kg).
• Entropía: Cantidad de energía que no se puede utilizar en un sistema para generar trabajo (KJ/Kg).

Leyes de los Gases Ideales

• Ley de Boyle-Mariotte (Isoterma): A temperatura constante, P₁V₁ = P₂V₂.
• Ley de Gay-Lussac (Isobara): A volumen constante, P₁/T₁ = P₂/T₂.
• Ley de Charles (Isocora): A presión constante, V₁/T₁ = V₂/T₂.
• Ecuación General de los Gases Ideales: P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo reversible que se forma por dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.

Elementos de los Ciclos de Compresión

• Compresor: Comprime el gas, elevando su presión desde la baja presión de evaporación hasta la alta presión de condensación. La temperatura del gas aumenta.
• Condensador: El refrigerante en estado de vapor se enfría y se condensa, pasando a estado líquido, y luego se subenfría.
• Expansor: El refrigerante en estado líquido se expande, bajando su presión desde la alta presión a la baja presión, lo que hace que baje la temperatura. Una parte del líquido se transforma en vapor.
• Evaporador: El refrigerante se evapora completamente, absorbiendo el calor del medio al entrar.

Transferencia de Calor

La transferencia de calor puede ocurrir por:

• Conducción: En el interior de los cuerpos.
• Convección: Entre sólidos y fluidos. Puede ser forzada (el fluido está en movimiento) o natural (el fluido está en reposo).
• Radiación: A través de un fluido o en el vacío.

Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor se usan para recalentar el vapor a la salida del evaporador y subenfriar el líquido a la salida del condensador. Transfieren calor entre dos fluidos con separación física, a través de una masa acumuladora o una pared intermedia.

Tipos de Intercambiadores

• Intercambian medios líquidos, gases y líquido-gases.
• Carcasa y tubo: Un tubo dentro de otro tubo, ya sea curvado o enrollado.
• Placas
• Flujo cruzado

Fluidos Frigorígenos o Refrigerantes

Un fluido frigorígeno o refrigerante es una sustancia que tiene la capacidad de intercambiar calor con el medio ambiente.

Clasificación de los Refrigerantes

• Primarios: Cambian de estado cuando reciben o ceden calor.
• Secundarios: No cambian de fase cuando reciben calor.
• Puros: Compuestos por una sola sustancia.
• Mezclas: Combinación de varios refrigerantes puros.

Clasificación según su Composición Química

• Orgánicos
• Inorgánicos

Grupos de Fluidos Frigorígenos

• CFC (Clorofluorocarbonados)
• HCFC (Hidroclorofluorocarbonados)
• HFC (Hidrofluorocarbonados)
• No halogenados

Mezclas de Refrigerantes

• Azeotrópicas: Los cambios de estado se dan a presión y temperatura constantes.
• Zeotrópicas: Los cambios de estado se dan a presión constante, pero la temperatura puede variar. Ejemplos: R507A, R407C.

Características y Propiedades de los Refrigerantes

Interacción con el aceite, temperatura y presión críticas, interacción con el agua, toxicidad, inflamabilidad, entre otras.