1.1 Calor y Temperatura: Conceptos Fundamentales
La refrigeración es la ciencia y tecnología de extraer calor de un espacio o sustancia para reducir su temperatura. Para dominar esta disciplina, es imprescindible comprender a fondo los conceptos fundamentales de calor, temperatura y energía térmica.
Calor
Forma de energía en tránsito que se transfiere entre dos cuerpos o sistemas debido a una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye naturalmente de mayor a menor temperatura (Segunda Ley de la Termodinámica). Se mide en Julios (J), kilocalorías (kcal), o BTU (British Thermal Units).
Temperatura
Magnitud que mide el nivel de agitación molecular de una sustancia. NO es lo mismo que calor: la temperatura indica el nivel energético, mientras que el calor es la energía en tránsito. Se mide en grados Celsius (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (K).
Diferencia entre Calor y Temperatura
Un ejemplo clásico: una piscina y una taza de café. El café puede estar a 80°C (temperatura alta) mientras que la piscina está a 25°C (temperatura más baja). Sin embargo, la piscina contiene mucha más energía térmica total (calor) que la taza de café, debido a su enorme masa de agua.
Unidades de Energía Térmica
| Unidad | Definición | Equivalencia |
|---|---|---|
| Julio (J) | Unidad SI de energía | 1 J = 0,000239 kcal |
| Kilocaloría (kcal) | Calor para elevar 1 kg de agua en 1°C | 1 kcal = 4.186 J |
| BTU | Calor para elevar 1 lb de agua en 1°F | 1 BTU = 1.055 J = 0,252 kcal |
| Tonelada de refrigeración (TR) | 12.000 BTU/h | 1 TR = 3.517 W = 3.024 kcal/h |
| Frigoría (fg) | Calor extraído para bajar 1 kg de agua en 1°C | 1 fg = 1 kcal = 1,163 Wh |
En el mundo de la refrigeración en Latinoamérica se usan frecuentemente las frigorías (fg/h) y los BTU/h. En Europa prevalecen los vatios (W) y kilovatios (kW). Un técnico profesional debe manejar todas las unidades con fluidez.
1.2 Escalas de Temperatura y Conversiones
En refrigeración se trabaja con un amplio rango de temperaturas, desde -40°C (congelación industrial) hasta +60°C (condensadores en verano). Es fundamental dominar las escalas y sus conversiones.
Escalas de Temperatura
| Escala | Punto de Fusión del Agua | Punto de Ebullición del Agua | Cero Absoluto |
|---|---|---|---|
| Celsius (°C) | 0 °C | 100 °C | -273,15 °C |
| Fahrenheit (°F) | 32 °F | 212 °F | -459,67 °F |
| Kelvin (K) | 273,15 K | 373,15 K | 0 K |
| Rankine (°R) | 491,67 °R | 671,67 °R | 0 °R |
Fórmulas de Conversión
Ejemplo: 25°C = (25 × 9/5) + 32 = 77°F
Ejemplo: -22°F = (-22 − 32) × 5/9 = -30°C
Temperaturas frecuentes en refrigeración: Evaporación de cámara de conservación: -10 a 0°C. Evaporación de congelador: -35 a -25°C. Condensación en aire: +35 a +55°C. Sobrecalentamiento: 5-12°C sobre temp. de evaporación. Subenfriamiento: 5-10°C bajo temp. de condensación.
1.3 Transferencia de Calor
La transferencia de calor es el mecanismo por el cual la energía térmica se mueve de un lugar a otro. En refrigeración, todo el proceso se basa en transferir calor desde un espacio frío hacia el exterior. Existen tres mecanismos fundamentales:
Conducción
Conducción Térmica
Transferencia de calor a través de un material sólido por contacto directo entre moléculas. Las moléculas más energéticas (calientes) transfieren energía a las menos energéticas (frías) adyacentes. No hay movimiento de materia.
La ley de Fourier describe la conducción:
Q = calor transferido (W)
k = conductividad térmica del material (W/m·K)
A = área de transferencia (m²)
ΔT = diferencia de temperatura (K)
L = espesor del material (m)
| Material | Conductividad k (W/m·K) | Aplicación en Refrigeración |
|---|---|---|
| Cobre | 385 | Tuberías de refrigerante, intercambiadores |
| Aluminio | 237 | Aletas de evaporadores y condensadores |
| Acero | 50 | Estructuras, tanques |
| Poliuretano (espuma) | 0,023 | Aislamiento de cámaras frigoríficas |
| Poliestireno expandido | 0,035 | Aislamiento económico |
| Aire en reposo | 0,025 | Aislante natural (doble vidrio) |
Convección
Es la transferencia de calor por movimiento de un fluido (aire o agua). En un evaporador, el aire caliente del espacio refrigerado pasa sobre las aletas frías del evaporador, cediendo su calor al refrigerante. Tipos:
- Convección natural: El fluido se mueve por diferencias de densidad (el aire caliente sube, el frío baja). Ejemplo: evaporadores estáticos de refrigeradores domésticos.
- Convección forzada: Un ventilador o bomba fuerza el movimiento del fluido. Ejemplo: evaporadores de cámara con ventiladores, condensadores con ventiladores axiales.
Radiación
Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas (infrarrojos). No necesita medio material. Relevante en refrigeración:
- Ganancia de calor por radiación solar en cámaras frigoríficas (aislamiento del techo especialmente crítico)
- Intercambio radiante entre productos almacenados y paredes de la cámara
- Paneles radiantes como emisores de frío en climatización avanzada
1.4 Estados de la Materia y Cambios de Fase
Comprender los cambios de fase es absolutamente esencial en refrigeración, ya que todo el ciclo frigorífico se basa en la evaporación y condensación del refrigerante para absorber y liberar calor.
Los Tres Estados de la Materia
- Sólido: Moléculas en posiciones fijas, vibran pero no se desplazan. Forma y volumen definidos.
- Líquido: Moléculas con libertad de movimiento pero cohesionadas. Volumen definido, toma la forma del recipiente.
- Gas (Vapor): Moléculas con máxima libertad, ocupan todo el volumen disponible. Sin forma ni volumen definidos.
Cambios de Fase
| Cambio de Fase | De → A | Proceso Térmico | Relevancia en Refrigeración |
|---|---|---|---|
| Evaporación | Líquido → Gas | Absorbe calor (endotérmico) | El evaporador: aquí se ENFRÍA |
| Condensación | Gas → Líquido | Libera calor (exotérmico) | El condensador: aquí se libera calor |
| Fusión | Sólido → Líquido | Absorbe calor | Desescarche, hielo |
| Solidificación | Líquido → Sólido | Libera calor | Formación de escarcha/hielo |
| Sublimación | Sólido → Gas | Absorbe calor | Liofilización de alimentos |
Punto de Ebullición y Presión
El punto de ebullición de una sustancia no es fijo: depende de la presión. Este principio es la base de la refrigeración:
A mayor presión → mayor punto de ebullición. A menor presión → menor punto de ebullición. El refrigerante evapora a baja presión (temperatura baja) absorbiendo calor, y condensa a alta presión (temperatura alta) liberando calor. Controlando la presión, controlamos la temperatura.
Ejemplo con el agua:
- A nivel del mar (1 atm): hierve a 100°C
- En montaña (0,7 atm): hierve a ~90°C
- En una olla a presión (2 atm): hierve a ~120°C
- A vacío (0,01 atm): hierve a ~7°C
1.5 Calor Sensible y Calor Latente
En refrigeración, es crucial distinguir entre calor sensible y calor latente, ya que el ciclo frigorífico trabaja con ambos tipos de calor de forma diferente.
Calor Sensible
Es el calor que provoca un cambio de temperatura en una sustancia sin cambiar su estado (fase). Cuando calentamos agua de 20°C a 80°C, estamos aportando calor sensible. Se puede medir con un termómetro.
Calor Latente
Es el calor que provoca un cambio de fase (estado) sin cambiar la temperatura. Cuando el agua hierve a 100°C, sigue absorbiendo calor pero la temperatura no sube hasta que toda el agua se convierte en vapor. Este calor 'oculto' es el calor latente.
Valores de Calor Latente del Agua
| Proceso | Valor | Comparación |
|---|---|---|
| Calor latente de fusión (hielo → agua) | 334 kJ/kg = 80 kcal/kg | Equivale a calentar agua de 0 a 80°C |
| Calor latente de vaporización (agua → vapor) | 2.257 kJ/kg = 539 kcal/kg | Equivale a calentar agua de 0 a 539°C |
El calor latente de vaporización es mucho mayor que el calor sensible necesario para cambiar la temperatura. Esta es la razón por la que los sistemas de refrigeración utilizan cambios de fase: permiten absorber grandes cantidades de calor con pequeñas cantidades de refrigerante.
Qs = calor sensible (kJ)
m = masa (kg)
Cp = calor específico (kJ/kg·K)
ΔT = cambio de temperatura (K)
Ql = calor latente (kJ)
L = calor latente específico (kJ/kg)
En un evaporador, el refrigerante entra como mezcla líquido-vapor a baja presión y temperatura. Al absorber calor del espacio refrigerado, el líquido se evapora (calor latente). Por eso el evaporador puede absorber grandes cantidades de calor manteniendo la temperatura casi constante. Este es el principio que hace posible la refrigeración.
1.6 Presión y su Relación con la Temperatura de Saturación
La relación presión-temperatura de saturación es la herramienta más importante del técnico de refrigeración. Esta relación permite saber la temperatura a la que está evaporando o condensando el refrigerante simplemente midiendo la presión con los manómetros.
Temperatura de Saturación
Temperatura de Saturación
Es la temperatura a la que un refrigerante cambia de fase (evapora o condensa) a una presión determinada. Para cada presión existe una y solo una temperatura de saturación (en sustancias puras). Esta relación se muestra en las tablas P-T del refrigerante.
Tabla Presión-Temperatura (Extracto para R-410A)
| Temp. Saturación (°C) | Presión Absoluta (bar) | Presión Manométrica (bar) | Aplicación |
|---|---|---|---|
| -20 | 4,0 | 3,0 | Evaporación en congelación |
| -10 | 5,7 | 4,7 | Evaporación en conservación |
| 0 | 7,9 | 6,9 | Evaporación estándar |
| +5 | 9,3 | 8,3 | Evaporación para climatización |
| +10 | 10,8 | 9,8 | Evaporación A/C |
| +35 | 21,2 | 20,2 | Condensación estándar |
| +45 | 27,2 | 26,2 | Condensación en clima cálido |
| +55 | 34,2 | 33,2 | Condensación extrema |
Presión Absoluta vs. Presión Manométrica
Los manómetros del técnico miden presión manométrica (gauge)
Las tablas P-T pueden indicar presión absoluta o manométrica –” siempre verifique
Si su manómetro de baja presión marca 4,7 bar con R-410A, usted sabe que el refrigerante está evaporando a -10°C. Si su manómetro de alta presión marca 20,2 bar, está condensando a +35°C. Con esta información puede calcular sobrecalentamiento y subenfriamiento, que son los parámetros clave de diagnóstico.
1.7 Diagrama Presión-Entalpía (P-H)
El diagrama Presión-Entalpía (o diagrama de Mollier) es la representación gráfica del comportamiento termodinámico de un refrigerante. Es la herramienta analítica fundamental para diseñar, analizar y diagnosticar sistemas de refrigeración.
Estructura del Diagrama P-H
El diagrama tiene la presión (P) en el eje vertical (escala logarítmica) y la entalpía (H) en el eje horizontal (escala lineal):
- Zona izquierda de la campana: Líquido subenfriado (100% líquido)
- Debajo de la campana: Mezcla líquido-vapor (zona bifásica, cambio de fase)
- Zona derecha de la campana: Vapor sobrecalentado (100% gas)
- Punto superior de la campana: Punto crítico (por encima no hay distinción entre líquido y gas)
Líneas del Diagrama
| Línea | Significado | Color Típico |
|---|---|---|
| Isobaras (horizontales) | Líneas de presión constante | –” |
| Isotermas (curvas) | Líneas de temperatura constante | Azul |
| Líneas de entropía constante | Líneas de proceso isentrópico | Verde |
| Líneas de volumen específico | Densidad del vapor | Rojo |
| Líneas de calidad (x) | Proporción de vapor en la mezcla bifásica | Gris |
El Ciclo de Refrigeración en el Diagrama P-H
El ciclo frigorífico se representa como un rectángulo deformado en el diagrama P-H:
- Punto 1 → 2 (Compresión): Sube desde baja a alta presión. Línea inclinada hacia la derecha y arriba. La entalpía aumenta (trabajo del compresor).
- Punto 2 → 3 (Condensación): Línea horizontal a alta presión, de derecha a izquierda. La entalpía disminuye (calor liberado).
- Punto 3 → 4 (Expansión): Línea vertical descendente. La entalpía no cambia (proceso isoentálpico).
- Punto 4 → 1 (Evaporación): Línea horizontal a baja presión, de izquierda a derecha. La entalpía aumenta (calor absorbido = efecto refrigerante).
El diagrama P-H permite calcular: el efecto refrigerante (kJ/kg), el trabajo del compresor (kJ/kg), el calor de condensación (kJ/kg), el COP del sistema, y el caudal másico de refrigerante necesario. Es imprescindible para el diseño y la optimización de sistemas.
1.8 Entalpía y Entropía Aplicadas
La entalpía y la entropía son propiedades termodinámicas fundamentales que permiten cuantificar los intercambios de energía en el ciclo frigorífico.
Entalpía (H)
Es la energía total contenida en un sistema termodinámico por unidad de masa. Incluye la energía interna (vibración molecular) más la energía de presión-volumen. Se mide en kJ/kg. En refrigeración, la diferencia de entalpía entre dos puntos del ciclo indica cuánto calor se absorbe, se libera o cuánto trabajo se realiza.
Entropía (S)
Es una medida del desorden o la calidad de la energía en un sistema. Se mide en kJ/(kg·K). En un proceso ideal (reversible), la compresión del refrigerante sería isentrópica (entropía constante). En la realidad, la entropía siempre aumenta algo, reflejando las irreversibilidades (fricción, transferencias de calor no ideales).
Cálculos Prácticos con Entalpía
Las fórmulas básicas del ciclo frigorífico usando entalpía:
hâ‚ = entalpía a la salida del evaporador (entrada compresor)
hâ‚‚ = entalpía a la salida del compresor (entrada condensador)
h₃ = entalpía a la salida del condensador (entrada válvula expansión)
hâ‚„ = entalpía a la salida de la válvula de expansión (entrada evaporador)
Ejemplo Numérico con R-410A
| Punto del Ciclo | Presión (bar) | Temperatura (°C) | Entalpía (kJ/kg) | Estado |
|---|---|---|---|---|
| 1 - Salida evaporador | 5,7 | -5 (10°C superheat) | 425 | Vapor sobrecalentado |
| 2 - Salida compresor | 21,2 | 65 | 465 | Vapor sobrecalentado |
| 3 - Salida condensador | 21,2 | 30 (5°C subcool) | 245 | Líquido subenfriado |
| 4 - Salida válvula exp. | 5,7 | -10 | 245 | Mezcla líquido-vapor |
Con estos datos:
- Efecto refrigerante: 425 − 245 = 180 kJ/kg
- Trabajo compresor: 465 − 425 = 40 kJ/kg
- Calor condensación: 465 − 245 = 220 kJ/kg
- COP = 180 / 40 = 4,5 (por cada kW eléctrico, genera 4,5 kW de frío)
Observe que q_c = q_e + w_c (220 = 180 + 40). El condensador siempre rechaza más calor que el que absorbe el evaporador, porque debe rechazar también el calor equivalente al trabajo del compresor. Este balance debe cumplirse siempre.