Principios de la termodinámica y funcionamiento del ciclo frigorífico industrial

Leyes de la termodinámica

1 Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva; solo se transforma en otra manifestación. Esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

2 Segunda ley de la termodinámica

De la segunda ley de la termodinámica se deriva que, en un proceso natural, el calor fluye en una sola dirección: se transfiere siempre de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura y nunca al contrario. Si quisiéramos realizar lo contrario sería mediante un proceso artificial, con la intervención de un trabajo.

3 Transferencia de calor

Cuando un cuerpo está más caliente que su entorno, pierde calor hasta que su temperatura se equilibra con la de dicho entorno. Esta transferencia de calor se puede producir por tres tipos de procesos:

• Conducción: basada en el contacto directo entre dos cuerpos, sin intercambio de materia.
• Convección: transporte de calor por medio del movimiento del fluido (ejemplo: al calentar agua en una cacerola, el agua que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua de la superficie desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente).
  Tipos de convección:
  • Natural
  • Forzada
• Radiación: calor emitido por un cuerpo en forma de ondas electromagnéticas.

Propiedades térmicas

1 Calor específico

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor (en kJ o BTU) que requiere para cambiar la temperatura de 1 kg o 1 libra en 1°C o 1°F. Su valor fluctúa dependiendo de las condiciones de estado (presión y volumen) y del estado físico de la sustancia (sólido, líquido o gas). Cp indica el calor específico a presión constante. Cv indica el calor específico a volumen constante.

2 Calor sensible

El calor sensible es aquel que puede sentirse o medirse causando movimiento en el termómetro conforme pasa el tiempo; el cuerpo se calienta o se enfría, según el caso, pero sin producirse cambio en su estado físico. Toda sustancia, sin importar su estado físico, presenta algún grado de calor sensible siempre que se encuentre por encima del cero absoluto.

3 Calor latente

El calor latente es aquel que se intercambia mientras la sustancia cambia de estado, ya sea que se esté adicionando o se esté extrayendo calor (enfriándose). En este caso la temperatura no se incrementa durante el cambio de fase.

4 Carga térmica

En los sistemas de refrigeración, la carga térmica se entiende como la cantidad de calor que un sistema debe retirar del producto o del recinto que se desea refrigerar. Para evaluar el estimado de la carga térmica en un espacio determinado se debe considerar:

• Datos atmosféricos del local.
• Características de la edificación.
• Orientación del edificio y la dirección de las paredes del espacio a acondicionar.
• Momento del día en que la carga llega a su pico.
• Espesor y características de los aislamientos.
• Cantidad de sombra en los vidrios.
• Concentración de productos en el local.
• Fuentes de calor internas.
• Cantidad de ventilación requerida.

5 Entalpía

La entalpía se define como la medida del contenido de calor total que dispone una masa de una determinada sustancia. Es útil para determinar la cantidad de calor necesaria en cualquier operación donde se produzca transferencia de calor.

Ciclo frigorífico

El principio fundamental, expresado en lenguaje común, es que «no se hace frío, se retira calor». Así, para transportar calor de un cuerpo a baja temperatura a otro de alta temperatura (en nuestro contexto, para enfriar), es necesario aportar energía. Para esto interviene un fluido refrigerante que pasa por una serie de transformaciones termodinámicas. Este ciclo termodinámico evita las reposiciones continuas del gas refrigerante. Cada refrigerante tiene un comportamiento definido y diferente (ver sección 3. Refrigerantes). Para la producción de frío con aplicaciones industriales, encontramos dos sistemas:

• El ciclo frigorífico de compresión (ejemplo: los chillers eléctricos).
• El ciclo frigorífico de absorción (ejemplo: los chillers de absorción).

El ciclo de compresión es característico de cada refrigerante. Se basa en los cambios de estado (líquido-gas y gas-líquido) del fluido refrigerante a temperaturas diferentes en función de la presión. A continuación se muestra un ejemplo de este ciclo en el diagrama termodinámico H-P; H por entalpía (nivel de energía) y P por presión.