Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor: Funcionamiento y Componentes

Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor: Principios Básicos

Una máquina frigorífica es, en esencia, un motor térmico que opera a la inversa. Mientras que un motor térmico convencional obtiene calor de una fuente caliente, realiza trabajo mecánico y libera calor a una fuente fría, la máquina frigorífica toma calor de una fuente fría y lo transfiere a una fuente caliente. Esta transferencia, contraria al flujo natural del calor, requiere un aporte de trabajo, según lo establece el segundo principio de la Termodinámica.

El frío se genera, por lo general, mediante la evaporación de un fluido refrigerante. Estas sustancias tienen la propiedad de cambiar de estado (de líquido a gas y viceversa) a presiones y temperaturas específicas. Los fluidos refrigerantes deben cumplir con ciertos requisitos:

• No ser tóxicos.
• No ser inflamables ni explosivos.
• Tener una viscosidad adecuada para evitar fugas.
• No ser corrosivos para los metales.
• No dañar la capa de ozono en caso de fuga (requisito moderno).

Componentes de una Máquina Frigorífica

El ciclo de refrigeración se desarrolla en cuatro etapas principales:

1. Compresión (1-2): El compresor aspira el refrigerante en estado gaseoso a baja presión (Pf) y baja temperatura (Tf). Lo comprime, elevando su presión (Pc) y temperatura (Tc). Este proceso requiere un trabajo (W), generalmente proporcionado por un motor eléctrico o térmico.
2. Condensación (2-3): El refrigerante a alta presión y temperatura ingresa al condensador. Aquí, cambia de estado gaseoso a líquido, liberando calor (Qc) al ambiente.
3. Expansión (3-4): El refrigerante líquido pasa a través de una válvula de expansión. Esta válvula reduce drásticamente la presión y la temperatura del refrigerante.
4. Evaporación (4-1): El refrigerante, ahora a baja presión y temperatura, entra al evaporador. Aquí, absorbe calor (Qf) del espacio que se desea enfriar, cambiando de estado líquido a gaseoso.

Fases Detalladas del Ciclo de Refrigeración

• Transformación 1-2: Compresión adiabática: El fluido, a temperatura Tf y presión Pf, recibe trabajo (W). Su presión y temperatura aumentan hasta Pc y Tc, sin intercambio de calor con el entorno.
• Transformación 2-3: Condensación: El fluido cambia de estado, de vapor a líquido. Este cambio libera calor (Qc) hacia el foco caliente (ambiente). Idealmente, esta transformación ocurre a presión y temperatura constantes.
• Transformación 3-4: Expansión adiabática: Se expande el líquido, disminuyendo su presión y temperatura hasta Pf y Tf. El trabajo realizado por el líquido es mínimo y, en la práctica, no se aprovecha. Idealmente, esta expansión ocurre sin intercambio de calor.
• Transformación 4-1: Evaporación: El fluido cambia de estado, de líquido a vapor, absorbiendo calor (Qf) del foco frío (espacio a refrigerar). En un ciclo teórico, este cambio se produce a temperatura y presión constantes.

Bomba de Calor: Aplicación Inversa

Una bomba de calor es, básicamente, una máquina frigorífica utilizada para calentar un espacio en lugar de enfriarlo. Es decir, se trata del mismo sistema, pero en lugar de enfocarnos en el calor absorbido en el evaporador (Qf), nos interesa el calor liberado en el condensador (Qc). La eficiencia de una bomba de calor se calcula como la relación entre el calor entregado (Qc) y el trabajo consumido (W): E = Qc / W.