Traducción del ozono metálico
La refrigeración es el proceso de transferir calor de un espacio o sustancia cerrado a otro lugar. El objetivo principal es reducir la temperatura del espacio o sustancia cerrado y luego mantener la temperatura más baja. El término "enfriamiento" generalmente se refiere a cualquier proceso de disipación de calor natural o artificial. El proceso de crear artificialmente temperaturas frías extremas se llama criogenia.
El frío es la ausencia de calor, por lo que para bajar la temperatura se "elimina calor" en lugar de "agregar frío". Para satisfacer la segunda ley de la termodinámica, se debe realizar alguna forma de trabajo para lograrlo. . Este trabajo se realiza tradicionalmente de forma mecánica, pero también se puede realizar de forma magnética, láser o por otros medios. Sin embargo, toda refrigeración utiliza tres métodos básicos de transferencia de calor: convección, conducción o radiación.
Aplicaciones históricas
Recolección de hielo
El uso de hielo para enfriar y conservar alimentos se remonta a tiempos prehistóricos. La recolección estacional de nieve y hielo ha sido una práctica habitual en la mayoría de las culturas antiguas a lo largo de los tiempos: chinas, hebreas, griegas, romanas y persas. El hielo y la nieve se almacenan en cuevas o refugios cubiertos con paja u otro material aislante. Los persas almacenaban hielo en pozos llamados Ahelas. El racionamiento del hielo permitió conservar los alimentos durante las épocas frías. Esta práctica continuó durante siglos y las neveras se utilizaron hasta el siglo XX.
En el siglo XVI d.C., el descubrimiento de la refrigeración química supuso el primer paso hacia la refrigeración artificial. Cuando se agrega nitrato de sodio o potasio al agua, se reduce la temperatura del agua, creando un baño congelado de material refrescante. En Italia, este método se utiliza para enfriar el vino.
En la primera mitad del siglo XIX, la recolección de hielo se convirtió en un gran negocio en Estados Unidos. Frederick Tudor, de Nueva Inglaterra, más tarde conocido como el "Rey del Hielo", trabajó para desarrollar un mejor aislamiento para transportar hielo a largas distancias, especialmente a los trópicos.
El primer sistema de refrigeración
El primer método conocido de refrigeración artificial fue demostrado en 1965 por William Cullen de la Universidad de Glasgow, Escocia. Cullen usó una bomba para crear un vacío parcial en un recipiente de éter, que luego hirvió, absorbiendo calor del aire circundante. El experimento incluso creó una pequeña cantidad de hielo, pero no tenía ninguna aplicación práctica en ese momento.
En 1805, el inventor estadounidense Oliver Evans diseñó, pero nunca construyó, un sistema de refrigeración basado en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, en lugar de soluciones químicas o líquidos volátiles como el éter.
En 1820, el científico británico Michael Faraday utilizó alta presión y baja temperatura para licuar amoniaco y otros gases.
Jacob Perkins, un estadounidense afincado en Inglaterra, recibió la primera patente para un sistema de refrigeración por compresión de vapor en 1834. Perkins construyó un prototipo de sistema que realmente funcionó, aunque no fue un éxito comercial.
En 1842, el médico estadounidense John Gowrie diseñó el primer sistema de congelación de agua para fabricar hielo. También prevé utilizar su sistema de refrigeración para enfriar el aire en hogares y hospitales (como aparatos de aire acondicionado). Su sistema comprime aire, luego usa agua para enfriar parcialmente el aire comprimido caliente y luego permite que se expanda mientras realiza parte del trabajo necesario para accionar el compresor de aire. La expansión isentrópica enfría el aire a una temperatura lo suficientemente baja como para congelar el agua y producir hielo, o "fluir a través de una tubería para efectuar la refrigeración", como se describe en su patente emitida por la Oficina de Patentes de Estados Unidos en 1851. Gorrie construyó un prototipo funcional, pero su sistema fue un fracaso comercial.
Alexander Twining comenzó a experimentar con la refrigeración por compresión de vapor en 1848 y recibió patentes en 1850 y 1853. En 1856 se le atribuye ser pionero en refrigeración comercial en los Estados Unidos.
Mientras tanto, James Harrison, que nació en Escocia y luego emigró a Australia, comenzó a operar una máquina mecánica para fabricar hielo en las orillas del río Barwon en Rocky Point en Geelong en 1851. Su primera máquina de hielo comercial salió a la luz en 1854, y su patente para un sistema de refrigeración por compresión de vapor líquido con éter fue concedida en 1855. Harrison introdujo la refrigeración comercial por compresión de vapor en cervecerías y plantas empacadoras de carne y, en 1861, más de una docena de sus sistemas estaban en funcionamiento.
Compañías australianas, argentinas y estadounidenses experimentaron con el transporte refrigerado a mediados de la década de 1870, y el primer éxito comercial se produjo en 1882, cuando William Soltau Davidson instaló una unidad de refrigeración por compresión en el barco neozelandés Dunedin, lo que llevó a la empresa australiana. y El auge de la carne y los lácteos en América del Sur.
El primer sistema de refrigeración por absorción de gas que utiliza amoniaco gaseoso disuelto en agua (llamado "agua amoniacal") fue desarrollado por Ferdinand Carré de Francia en 1859 y obtuvo patente en 1860. Debido a la toxicidad del amoníaco, este sistema no se desarrolló para uso doméstico, sino que se utilizó para crear hielo para la venta. En los Estados Unidos, los consumidores de la época todavía utilizaban hieleras que contenían hielo obtenido de proveedores comerciales, muchos de los cuales todavía recolectaban el hielo y lo almacenaban en casas de hielo.
Thaddeus Lowe, aeronáutico durante la Guerra Civil estadounidense, llevaba muchos años experimentando con las propiedades de los gases. Una de sus empresas pilares es la producción en masa de hidrógeno. También posee varias patentes de máquinas de hielo. Su "máquina de hielo por compresión" revolucionaría la industria de la refrigeración. En 1869, Ho y otros inversores compraron un viejo barco de vapor, lo equiparon con una unidad de refrigeración Lowe's y comenzaron a enviar fruta fresca desde Nueva York a la costa del Golfo y carne fresca desde Gálvez, Texas, enviada de regreso a Nueva York. Debido a la falta de conocimiento de Lowe's sobre el transporte marítimo, el negocio fue un costoso fracaso y el público tuvo dificultades para acostumbrarse a la idea de poder consumir carne mucho después de haber salido de las plantas empacadoras.
Los refrigeradores mecánicos domésticos estuvieron disponibles en Estados Unidos alrededor de 1911.
Amplia gama de usos comerciales
En la década de 1870, las cervecerías se habían convertido en los mayores usuarios de equipos de refrigeración comercial, aunque algunas todavía dependían del hielo recolectado. Aunque la industria de la extracción de hielo había crecido enormemente a principios del siglo XX, la contaminación y las aguas residuales habían comenzado a filtrarse en el hielo natural y se habían convertido en un problema en las afueras de las grandes ciudades. Con el tiempo, las cervecerías empezaron a quejarse del hielo contaminado. Esto ha aumentado la demanda de máquinas de refrigeración y fabricación de hielo más modernas y fáciles de usar. En 1895, el ingeniero alemán Carl von Linde inventó un proceso para producir aire líquido a gran escala y, finalmente, produjo oxígeno líquido para su uso en refrigeradores domésticos seguros.
Estados Unidos introdujo vagones de ferrocarril refrigerados en la década de 1840 para el transporte a corto plazo de productos lácteos. En 1867, J.B. Sutherland de Detroit, Michigan, patentó un automóvil refrigerado diseñado para tener hieleras en cada extremo del automóvil y deflectores de ventilación cerca del piso, lo que crearía aire frío que pasaría a través del flujo de aire por gravedad del automóvil.
En 1900, las plantas empacadoras de carne de Chicago habían adoptado la refrigeración comercial con ciclo de amoníaco. En 1914, la refrigeración artificial se utilizaba en casi todas partes. Los grandes frigoríficos Armor, Swift y Wilson compraron el equipo más caro para instalarlo en vagones de tren y en sucursales y almacenes en zonas de distribución más remotas.
Hasta mediados del siglo XX, los equipos frigoríficos no estaban diseñados para montarse en remolques de tractores (camiones o furgonetas). Los camiones frigoríficos se utilizan para transportar productos perecederos como alimentos congelados, frutas y verduras y productos químicos sensibles a la temperatura. La mayoría de los frigoríficos modernos mantienen temperaturas entre -40 y 20 grados centígrados y tienen una carga útil máxima de aproximadamente 24.000 kilogramos. Peso bruto (en Europa).
Uso doméstico y del consumidor
Con la invención de refrigeradores sintéticos basados principalmente en productos químicos de clorofluorocarbono (CFC), es posible contar con refrigeradores más seguros para el uso doméstico y del consumidor. Freón es una marca comercial de DuPont y se refiere a estos clorofluorocarbonos y, posteriormente, a los refrigerantes hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC).
Estos refrigerantes se desarrollaron a finales de la década de 1920 y se consideraban menos dañinos que los refrigerantes comúnmente utilizados en ese momento, incluidos el formiato de metilo, el amoníaco, el cloruro de metilo y el dióxido de azufre. El objetivo es dotar de equipos de refrigeración doméstica sin poner en peligro la vida de los ocupantes. Estos refrigerantes de clorofluorocarbono satisfacen esta necesidad.
Protocolo de Montreal
A partir de 1989, los refrigerantes a base de CFC fueron prohibidos por el Protocolo de Montreal debido a su impacto negativo sobre la capa de ozono. El Protocolo de Montreal fue ratificado por la mayoría de los países productores y consumidores de CFC en Montreal, Quebec, Canadá, en septiembre de 1987. Greenpeace se opuso a la ratificación porque el Protocolo de Montreal aprobó el uso de hidrofluorocarbonos para refrigeración, que no agotan la capa de ozono pero siguen siendo potentes gases causantes del calentamiento global. En busca de alternativas para la refrigeración doméstica, dkk Scharfenstein (Alemania), con la ayuda de Greenpeace, desarrolló un refrigerador a base de propano con CFC y sin HFC, No. 1992. [Cita requerida]
Los principios del Protocolo de Montreal entraron en vigor en los Estados Unidos a través de la Ley de Aire Limpio de 1988 en agosto de 1988. La Ley de Aire Limpio fue modificada nuevamente en 1990. Este es el resultado directo de un informe científico publicado por Rowland-Molina en junio de 1974, que detallaba cómo el cloro en los CFC y los refrigerantes con CFC afecta negativamente a la capa de ozono. El informe llevó a la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. y a la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. a prohibir el uso de clorofluorocarbonos como propulsores en 1978 (en ese momento, el 50% de los clorofluorocarbonos se usaban en propulsores de latas de aerosol).
En enero de 1992, la EPA exigió la recuperación de refrigerante de todos los sistemas de aire acondicionado de automóviles durante el servicio del sistema.
En julio de 1992, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos declaró ilegal la descarga de clorofluorocarbonos y refrigerantes HCFC.
En junio de 1993, la Agencia de Protección Ambiental requirió 30 días para reparar fugas importantes en los sistemas de refrigeración. Una fuga importante se define como una tasa de fuga igual al 35 % de la carga total de refrigerante del sistema (para sistemas de refrigeración industriales y comerciales), o igual al 15 % de la carga total de refrigerante del sistema (para todos los demás sistemas de refrigeración grandes), si el La fuga persiste durante un período de tiempo durante todo el año.
En julio de 1993, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. estableció requisitos de eliminación segura que exigían que todos los sistemas de refrigeración se drenaran antes de desecharlos o eliminarlos (independientemente del tamaño del sistema) y transferir la responsabilidad a quienes se encuentran en la cadena de eliminación. para asegurarse de que el refrigerante se recoja correctamente.
En agosto de 1993, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. implementó requisitos de reciclaje de refrigerantes. Si un refrigerante va a cambiar de propietario, debe procesarse y probarse para cumplir con los requisitos de pureza del refrigerante del Estándar 700-1993 del Instituto Americano de Refrigeración (ARI) (ahora Estándar ARI 700-1995).
En noviembre de 1993, la EPA exigió que todos los equipos de recuperación de refrigerante cumplieran con las normas ARI 740-1993.
En noviembre de 1995, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos también restringió las emisiones de refrigerantes HFC. Estos materiales no contienen cloro que agota la capa de ozono (y por lo tanto tienen un potencial nulo de agotamiento de la capa de ozono), pero aun así tienen un alto potencial de calentamiento global.
En diciembre de 1995, Estados Unidos prohibió la importación y producción de refrigerantes CFC.
Actualmente hay planes para prohibir la importación y producción de todos los refrigerantes HCFC para 2030, aunque este proceso puede acelerarse.
Aplicaciones actuales de la refrigeración
Quizás las aplicaciones de refrigeración más utilizadas en la actualidad sean el aire acondicionado en hogares privados y edificios públicos, y la refrigeración de alimentos en hogares, restaurantes y grandes almacenes. Utilizar frigoríficos en nuestras cocinas para almacenar frutas y verduras nos permite añadir ensaladas frescas a nuestra dieta durante todo el año y almacenar pescado y carne de forma segura durante largos periodos de tiempo.
La refrigeración tiene muchos usos en los negocios y la fabricación. La refrigeración se utiliza para licuar gases como oxígeno, nitrógeno, propano y metano. En la purificación del aire comprimido, se utiliza para condensar vapor de agua en el aire comprimido para reducir su contenido de humedad. En refinerías, plantas químicas y plantas petroquímicas, la refrigeración se utiliza para mantener ciertos procesos a las bajas temperaturas requeridas (por ejemplo, la alquilación de butenos y butanos para producir componentes de gasolina de alto octanaje). Los trabajadores del metal utilizan la congelación para templar el acero y los cubiertos. La refrigeración es necesaria cuando se transportan alimentos y otros materiales sensibles a la temperatura en camión, tren, avión y barco.
Los productos lácteos siguen requiriendo refrigeración, y no fue hasta las últimas décadas que los huevos necesitaron ser refrigerados durante el transporte, en lugar de esperar a ser refrigerados en el supermercado. La carne, las aves y el pescado deben mantenerse en un ambiente con clima controlado antes de venderse. La refrigeración también ayuda a que las frutas y verduras duren más.
Uno de los usos más influyentes de la refrigeración fue en el desarrollo de la industria del sushi/sashimi en Japón. Antes de que se descubriera la refrigeración, muchos conocedores del sushi padecían morbilidad y mortalidad graves, como hepatitis A[cita requerida] y difilobotriosis causada por una tenia marina común: Diphyllobothrium latum Oiler. Sin embargo, debido a la falta de investigación y distribución médica en las zonas rurales de Japón, los peligros del sashimi descongelado no se descubrieron durante décadas. A mediados de siglo, la empresa Zojirushi, con sede en Kioto, logró un gran avance en el diseño de refrigeradores, haciéndolos más baratos y accesibles para los propietarios de restaurantes y el público en general.
Métodos de refrigeración
Los métodos de refrigeración se pueden dividir en refrigeración sin circulación, refrigeración de ciclo y refrigeración termoeléctrica.
Refrigeración sin ciclo
En estos métodos, la refrigeración se puede lograr derritiendo hielo o sublimando hielo seco. Estos métodos se utilizan para refrigeración a pequeña escala, como en laboratorios y talleres, o en refrigeradores portátiles.
La eficacia del hielo como refrigerante se debe a su punto de fusión constante de 0°C (32°F). Para derretirse, el hielo debe absorber 333,55 kilojulios/kg (aproximadamente 144 Btu/lb) de calor. Manteniéndola a esta temperatura o ligeramente más alta, se prolongará la vida útil de los alimentos. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, también se utiliza como refrigerante. No hay fase líquida a presión atmosférica normal y se sublima directamente del estado sólido al estado gaseoso a una temperatura de -78,5°C (-109,3°F). El hielo seco es eficaz para mantener fríos los productos durante la sublimación.
Refrigeración Cíclica
Artículo principal: Bombas de Calor y Ciclos de Refrigeración
Consiste en un ciclo de refrigeración en el que se extrae calor de un espacio o fuente criogénica y se coloca En un trabajo externo se descarga al radiador de alta temperatura con la ayuda de su proceso inverso, el ciclo de energía termodinámico. En el ciclo de potencia, se suministra calor al motor desde una fuente de calor de alta temperatura, parte del calor se utiliza para realizar trabajo y el resto se rechaza a un disipador de calor de baja temperatura. Esto satisface la segunda ley de la termodinámica.
El ciclo de refrigeración describe los cambios que se producen en un refrigerante a medida que absorbe y rechaza alternativamente calor mientras circula a través de un refrigerador. Al describir el "proceso" del flujo de refrigerante a través de una unidad HVACR, también se aplica al trabajo de HVACR, ya sea un sistema empaquetado o separado.
El calor fluye naturalmente del calor al frío. El trabajo se realiza para enfriar una vivienda o un espacio de almacenamiento bombeando calor desde una fuente de calor de menor temperatura a un radiador de mayor temperatura. El aislamiento se utiliza para reducir el trabajo y la energía necesarios para lograr y mantener temperaturas más bajas en un espacio refrigerado. Sadi Carnot describió matemáticamente el funcionamiento del ciclo de refrigeración como un motor térmico en 1824.
El tipo más común de sistema de refrigeración utiliza un ciclo de refrigeración por compresión de vapor Rankine inverso, aunque en algunas aplicaciones se utilizan bombas de calor de absorción.
La refrigeración cíclica se puede dividir en:
Ciclo de vapor y
Ciclo de gas
La refrigeración por ciclo de vapor se puede clasificar además en:
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Refrigeración por compresión de vapor
Refrigeración por absorción de vapor