Principios y procesos de refrigeración para cámaras frigoríficas

Este artículo explica los principios de refrigeración de los sistemas de almacenamiento en frío mediante diagramas y análisis de procesos. Se hace hincapié en estos principios porque solo comprendiendo la lógica subyacente se pueden relacionar con precisión los problemas operativos con sus causas en situaciones reales, lo que permite analizar las fallas con mayor detalle y encontrar soluciones adecuadas. Este artículo utiliza un lenguaje lo más sencillo posible para explicar el proceso.

Ya sea un sistema de almacenamiento en frío o un aire acondicionado, ninguno de los dos produce frío propiamente dicho. La refrigeración, en esencia, consiste en la transferencia de calor. Se logra mediante la conversión y circulación continua del refrigerante entre los estados líquido y gaseoso, lo que permite el intercambio de calor. El ciclo completo consta de cuatro etapas: compresión, condensación, expansión y evaporación, formando un circuito cerrado continuo. Durante la circulación, el refrigerante absorbe y libera calor de forma continua, trabajando en conjunto con los cuatro componentes principales y los dispositivos auxiliares para transferirlo.

Sin embargo, durante este proceso, ¿cuándo se encuentra el refrigerante en estado líquido? ¿Cuándo se convierte en gas? ¿Cuándo está a alta presión y cuándo a baja presión? ¿Cuáles son los principios que rigen estos cambios?

Proceso de compresión

El compresor comprime el gas refrigerante a baja temperatura y baja presión hasta convertirlo en vapor a alta temperatura y alta presión.

A continuación, comencemos con el componente principal del sistema de refrigeración: el compresor. Como su nombre lo indica, la función principal del compresor es la compresión. Sin embargo, el fluido que se comprime siempre debe ser gaseoso, ya que los líquidos son prácticamente incompresibles. Si entra refrigerante líquido en el compresor, puede producirse un golpe de líquido.

Imagínese un líquido comprimido a la fuerza dentro de la cámara del compresor: actúa como un martillo golpeando los componentes internos. Si esta situación persiste, el compresor fallará rápidamente y sufrirá daños permanentes. Por lo tanto, se suele instalar un separador de gas y líquido antes del compresor. Este separador actúa como un portero, reteniendo el refrigerante que no se ha evaporado por completo y permitiendo que solo el gas entre al compresor.

Tras entrar en el compresor, el gas disminuye rápidamente su volumen mientras que la presión y la temperatura aumentan bruscamente, convirtiéndose finalmente en un gas a alta temperatura y presión que se descarga del compresor. Este proceso se conoce comúnmente como descarga.

La temperatura de descarga es un parámetro crítico, ya que refleja directamente el estado de funcionamiento del compresor y la salud del sistema de refrigeración. Por lo tanto, las unidades de refrigeración suelen estar equipadas con dispositivos que muestran la temperatura de descarga.

Al mismo tiempo, el manómetro de alta presión está conectado directamente a la tubería de descarga para monitorear los valores de presión en tiempo real. El lado de alta presión del controlador de alta y baja presión también está conectado aquí. Si la presión de descarga supera el rango seguro, se activa el sistema de protección contra alta presión, que apaga automáticamente el compresor para evitar daños al equipo.

Además, cuando el gas a alta temperatura y presión sale del compresor, también arrastra parte del aceite del compresor. En este punto, el separador de aceite desempeña un papel importante. Separa el aceite y lo devuelve al compresor, manteniendo la lubricación y asegurando su funcionamiento normal.

Diagrama de ejemplo de compresor

Proceso de condensación

El vapor a alta temperatura fluye a través del condensador, libera calor al exterior y se condensa en líquido a alta presión.

El condensador actúa como estación de enfriamiento para el gas a alta temperatura. Tras ser comprimido por el compresor, el gas refrigerante a alta temperatura y presión entra en el condensador, donde experimenta una importante transformación: pasa de estado gaseoso a líquido.

Este proceso es similar a la condensación del vapor de agua al enfriarse. Para facilitar el enfriamiento y la licuefacción del refrigerante, el condensador está equipado con ventiladores. Sin embargo, estos ventiladores no funcionan de forma continua; su funcionamiento se controla con precisión según la presión del sistema.

Esto se debe a que si los ventiladores se activan demasiado pronto, el refrigerante puede licuarse antes de que se libere suficiente calor, lo que reduce la eficiencia de la refrigeración. Por otro lado, si los ventiladores se activan demasiado tarde, la presión del sistema puede aumentar excesivamente.

Por lo tanto, el sistema utiliza un controlador conectado a la tubería de descarga o al depósito de líquido para detectar la presión y controlar de forma inteligente el funcionamiento del ventilador del condensador. Una vez que el refrigerante se ha licuado correctamente, fluye hacia el depósito de líquido y espera la siguiente etapa de su recorrido.

Tras salir del depósito de líquido, el refrigerante pasa primero por el filtro secador, que actúa como etapa de purificación eliminando impurezas, humedad y sustancias ácidas del refrigerante.

Algunos filtros secadores que contienen carbón activado están diseñados específicamente para absorber la parafina, ya que el aceite refrigerante puede precipitarla cuando las temperaturas descienden por debajo de -35 °C. Los sistemas de refrigeración de temperatura media y alta generalmente no requieren este tipo de eliminación de parafina.

Tras su purificación, el refrigerante entra en el visor.

El visor es un componente clave para evaluar el estado del sistema de refrigeración. Los técnicos pueden observar el visor para determinar si la tubería está seca y también para identificar si la carga de refrigerante es suficiente o si ha entrado aire en el sistema, comprobando si hay burbujas en el refrigerante.

En esta etapa, el refrigerante aún se encuentra en estado líquido a alta presión. Para evitar que el refrigerante siga fluyendo hacia el evaporador después del apagado, se instala una válvula solenoide después del visor para lograr un control preciso del flujo.

Diagrama de ejemplo de un condensador

Proceso de estrangulamiento

El líquido a alta presión pasa a través de la válvula de expansión, su presión disminuye instantáneamente y se convierte en una mezcla gas-líquido a baja temperatura y baja presión.

Tras pasar por la electroválvula, el refrigerante llega a la válvula de expansión. Esta válvula actúa como el elemento reductor de presión del sistema de refrigeración. Cuando el refrigerante líquido a alta presión pasa por la válvula de expansión, el orificio de estrangulamiento reduce rápidamente la presión, provocando una caída significativa tanto de la presión como de la temperatura del refrigerante. El refrigerante se convierte entonces en una mezcla gas-líquido a baja temperatura y baja presión.

El proceso de estrangulamiento en sí no modifica el contenido calorífico total del refrigerante. Sin embargo, la caída repentina de presión reduce la temperatura y crea una mezcla gas-líquido capaz de absorber calor del interior de la cámara frigorífica.

Al mismo tiempo, la válvula de expansión puede ajustar automáticamente el flujo de refrigerante según la carga de refrigeración de la cámara frigorífica, lo que garantiza la eficiencia de la refrigeración y la estabilidad de la temperatura.

Diagrama de ejemplo de una válvula de expansión

Proceso de evaporación

El refrigerante entra en el evaporador, absorbe el calor de la cámara frigorífica, se vaporiza de nuevo, enfría el aire y regresa al compresor para completar el ciclo.

Posteriormente, la mezcla gas-líquido a baja temperatura entra en el evaporador, que es el enfriador de aire ubicado dentro de la cámara frigorífica.

El evaporador es el componente que realmente produce el efecto de refrigeración. En él, el refrigerante absorbe el calor del interior de la cámara frigorífica y se transforma gradualmente de líquido a gas a baja temperatura y baja presión.

A medida que se extrae el calor del aire almacenado, la temperatura del aire disminuye, lo que permite que la cámara frigorífica alcance la baja temperatura requerida.

Cuando el refrigerante sale del evaporador, se ha transformado completamente en gas saturado y regresa al compresor para comenzar el siguiente ciclo de refrigeración.

Diagrama de ejemplo del evaporador