Màquina frigorífica: definició, funcionament i aplicacions

Màquina frigorífica: definició i funcionament

Una màquina frigorífica és qualsevol dispositiu capaç de fer descendir la temperatura d’un determinat objecte o lloc per tal que sigui inferior a la del seu entorn.

Principi de funcionament

Per explicar el seu funcionament cal tenir en compte que:

• hi ha una relació constant entre el treball desenvolupat i la calor absorbida (o a l'inrevés) sempre que l'estat final del sistema sigui igual a l'inicial;
• la calor no es pot transferir espontàniament d’un cos més fred a un altre de més calent.

El fluid frigorigen i el fred

El fred es produeix per evaporació d’un fluid frigorigen, que és una substància que canvia d’estat per condensació o per evaporació a unes pressions i temperatures determinades. Entre els fluids que s'han emprat hi ha:

• aigua;
• clorurs de metil i d'etil;
• amoníac;
• propà, butà;
• hidrocarburs fluorats i clorats.

Constitució i cicle de funcionament

La constitució bàsica d’un circuit frigorífic és la següent: primer el fluid es comprimeix al compressor, on s'hi aporta energia; després es liquafta per refredament al condensador; després es sotmet a un procés d'expansió en el sistema d'expansió, així el fluid redueix la seva pressió fins a assolir la de l'evaporador; a l'evaporador el fluid s'evapora i, posteriorment, el fluid recupera les condicions inicials i torna a passar pel compressor fent un nou cicle.

Passos del cicle (resum)

1. Compressió: el compressor comprimeix el fluid en estat de vapor i s'hi aporta energia.
2. Condensació: el fluid allibera calor i es liquafta al condensador.
3. Expansió: el fluid passa per la vàlvula d'expansió, disminuint la pressió i augmentant el volum.
4. Evaporació: a l'evaporador el fluid s'evapora absorbint calor de l'entorn i provocant el refredament.

Esquema general d'un sistema frigorífic

La missió del compressor és doble: comprimir el fluid frigorigen en estat de vapor i facilitar la circulació del fluid al llarg del cicle. El compressor és mogut per un motor d'entrenament que consumeix l'energia que s'aporta al sistema.

El fluid frigorigen entra al condensador, on es produeix la liquefacció per circulació d'aire o d'aigua; en aquesta fase el fluid cedeix una quantitat de calor i disminueix el seu volum a pressió constant. A l'acumulador s'emmagatzema el fluid frigorigen procedent del condensador i s'alimenta l'evaporador a través de la vàlvula d'expansió. Al sortir per l'expansió el volum del fluid augmenta.

A l'evaporador s'origina la transformació del fluid frigorigen en vapor: el fluid pren calor de l'entorn i provoca el refredament. A la sortida de l'evaporador el fluid està en condicions pròximes a les inicials i torna a entrar al compressor per iniciar un nou cicle.

Aplicacions

Les aplicacions són diverses, entre les quals destaquen:

• la indústria alimentària;
• la distribució d'articles peribles;
• el condicionament d'aire;
• la refrigeració i congelació domèstica;
• en medicina, per refredar òrgans i altres aplicacions específiques.

Bomba de calor: principi i ús

La bomba de calor és una màquina frigorífica capaç d'aprofitar la calor cedida en el condensador per escalfar un determinat espai. El seu principi de funcionament és igual al de les màquines frigorífiques, amb la diferència que la màquina frigorífica està destinada i projectada per produir un efecte frigorífic a l'evaporador, mentre que la bomba de calor està destinada i projectada per produir un efecte frigorífic a l'evaporador i un efecte calorífic al condensador.

Tipus de bombes de calor

Entre els tipus més comuns de bombes de calor trobem:

Bomba de calor aigua-aigua

El focus fred pot ser aigua amb una temperatura entre 13 i 15 graus; amb una bomba hidràulica es fa arribar l'aigua dins l'evaporador. El fluid frigorigen pren una quantitat de calor i s'evapora; l'aigua que en surt té una temperatura d'uns 5 graus. L'aigua que entra pel circuit del condensador pren les calories que cedeix el fluid frigorigen en el procés de condensació; a la sortida hi ha aigua calenta amb una temperatura d'uns 50 graus.

Bomba de calor aire-aire

S'utilitza com a focus fred l'aire recollit pel ventilador i dirigit cap a l'evaporador; el fluid frigorigen absorbeix calor i s'evapora. A la sortida l'aire està més fred. Al condensador s'utilitza aire com a focus calent i és impulsat per un altre ventilador; el fluid frigorigen cedeix una quantitat de calor en liquar-se i a la sortida l'aire està a una temperatura d'uns 50 graus.

Altres tipus i característiques

Les bombes de tipus sol-aire i sol-aigua utilitzen el sol com a font de calor (o, en una lectura alternativa, com a font d'energia per al sistema). També existeixen bombes de calor reversibles que funcionen com a dispositiu de calefacció a l'hivern o com a màquina frigorífica a l'estiu.

Observació: en tots els casos, l'elecció del fluid frigorigen, del tipus de condensador, evaporador i del motor condiciona l'eficiència global del sistema i la seva idoneïtat per a una aplicació concreta.