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Continuo con este post la serie de Ingeniería para Dummies que inauguro el gran maestro Desgraciaito, y que yo continue con el apasionante tema ¿Porque no se electrocutan los pájaros al posarse en los cables de alta tensión?

Por petición de un chico de letras, concretamente El Chico de la Consuelo, pasamos a explicar el increíble funcionamiento de los aires acondicionados, frigoríficos y casi (*) todos los aparatos que producen frío.

Hay aquí varios principios de física en juego. El primero es el denominado Efecto Joule-Thomson, que consiste en que la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. ¿Y que es expandirse? Pues básicamente para un gas equivale a despresurizarse. Esto se puede observar muy fácilmente si sopláis con la boca abierta sobre la palma de vuestra mano, como si os echaseis vaho,  y a continuación lo hacéis con la boca más cerrada, como si silbaseis. Observareis que en el segundo caso el aire está más frío. Al pasar por la restricción de vuestros labios se ha producido una compresión del aire seguido de una descompresión (expansión) al salir a la atmósfera.

El otro principio de física que hay que tener en cuenta es que los cambios de estado  o de fase de los fluidos dependen tanto de la temperatura como de la presión a la que están sometidos. En física esta relación se representa en los diagramas de fases

Si observáis la curva de vaporización a mayor presión hace falta mas temperatura para que se realice el cambio de fase de líquido a gas, y viceversa: al perder presión manteniendo la temperatura el líquido se convierte en gas. Ejemplos: habréis oído hablar de que el agua hierve a mas temperatura a nivel del mar (100ºC) que en lo alto de una montaña. Por ejemplo en la cima del Everest  la ebullición se produce a sólo 70ºC, ya que la presión atmosférica es 1/3 de la que hay a nivel del mar.

La clave es encontrar un fluido (refrigerante) que cambie de fase, es decir de líquido a gaseoso y viceversa, en el rango de temperaturas y presiones adecuados. Antiguamente se usaba para ello el gas freón, que es cojonudo para esto, pero que al ser  de la familia de los denominados clorofluorocarbonados (CFCs), dañan la capa de ozono de la atmósfera. Actualmente se usan otros gases, que no afectan al medioambiente (o eso creemos).

El proceso básicamente se realiza en cuatro pasos, durante el primero el refrigerante que se encuentra en estado líquido a baja presión y temperatura circula por un serpentín, que es el tubito retorcido que hay en el equipo de aire acondicionado que hay dentro de la casa. Este tubito (que se denomina evaporador) tiene unas aletas para incrementar el intercambio de calor entre el liquido que va dentro del tubo y el aire ambiente, para lo cual además se usa un ventilador. En consecuencia el liquido enfría el aire, o visto desde el punto de vista del refrigerante el aire calienta el líquido que cambia de fase y se convierte en gas.

Una vez en estado de vapor se succiona y comprime mediante un compresor aumentando su presión por encima de la de cambio de fase, por lo que el gas vuelve a fase líquida. En el trabajo de compresión además el gas refrigerante se ha calentado. El refrigerante condensado pasa por otro serpentín denominado condensador donde se realiza un segundo intercambio de calor pero esta vez a la inversa, calentando el aire  exterior que se encuentra a menor temperatura.

De esa manera en el cuarto paso, el refrigerante en estado líquido a alta presión y temperatura vuelve al evaporador mediante un deposito acumulador y una válvula de expansión, donde al reducir la sección de paso se origina una significativa reducción de presión, provocando la vaporización parcial del líquido, que ahora gas se expande (ocupa más volumen) y reduce su temperatura, por el efecto Joules-Thomson. Y vuelta al inicio.

El lector avispado se habrá dado cuenta de que haciendo funcionar el ciclo en sentido contrario tendríamos lo que se denomina bomba de calor.

En los frigoríficos en lugar de la válvula de expansión se usa un tubo capilar, de pequeño diámetro, normalmente de cobre.

(*) Hay otro método para producir frío basado en el Efecto Peltier,  pero no se emplea para los aires acondicionados, aunque si para pequeños refrigeradores, como los que se conectan al mechero de los coches, ya que no precisa compresor ni líquidos refrigerantes.

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