¿Cómo funciona el refrigerador?

¿Cómo funciona el refrigerador?

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El refrigerador conserva los alimentos frescos en buen estado

La próxima vez que disfrutes de una bebida helada en un día caliente, tendrás tu refrigerador (y congelador a bordo) para agradecer la bebida refrescante que vas a tomar.

No hace tanto tiempo, necesitabas ser rico o estar bien conectado para conseguir una bebida fría con unos cubitos de hielo flotando. Grandes fortunas se hicieron por enviar enormes barcos cargados de bloques de hielo alrededor del mundo en aisladas bodegas de carga para ser vendidos a los ricos. Hoy en día, no tenemos tal inconveniente.

 

Conservar los alimentos durante más tiempo
Conservar los alimentos durante más tiempo

 

Antes de la existencia del refrigerador, el poder mantener los alimentos en buen estado era un trabajo muy costoso. Podías salar la comida, y en invierno, podías enterrar la comida en un montón de nieve con la esperanza de que los animales no la encontraran. Para mantenerte abastecido con lo esencial tenías que trabajar en ello – o tener mucho dinero.

El refrigerador es uno de los inventos que más ha cambiado nuestro estilo de vida. Podemos mantener la comida más fácilmente, por lo que tenemos muchas menos cosas por las que preocuparnos, como por ejemplo, las enfermedades de los alimentos. El suministro de comida también es más estable.

 

Un cartón de leche puede durar un par de semanas en la nevera mientras que un par de horas en la encimera. ¡Impresionante! Eso significa que no necesitas tener una vaca en tu patio trasero si quieres tener un abastecimiento regular de leche.

 

Los fundamentos del refrigerador también trabajan en otro importante electrodoméstico: el aire acondicionado. Se estima que alrededor de 5% de toda la energía eléctrica de América es usada para mantener nuestras casas frías. Es bastante impresionante, especialmente cuando consideras el hecho de que el principio que está detrás de la refrigeración es simple.

 

En una frase: Cuando un líquido se evapora, absorbe calor en el proceso. Si quieres deshacerte del calor, necesitas transformar el líquido en estado gaseoso.

 

El propósito de la refrigeración

La razón fundamental para tener un refrigerador es mantener la comida fría. Las temperaturas frías ayudan a que la comida se mantenga fresca durante más tiempo. La idea básica que se encuentra detrás de la refrigeración es bajar la actividad bacteriana (que toda comida contiene) así a las bacterias les llevará más tiempo estropear la comida.

Conservar la fruta en almíbar
Conservar la fruta en almíbar

 

Por ejemplo, una bacteria estropeará la leche en dos o tres horas si se dejan en la cocina fuera de la nevera a temperatura ambiente. Por esto, reduciendo la temperatura de la leche, permanecerá fresca durante una o dos semanas – la temperatura fría dentro de la nevera disminuye enormemente la actividad de las bacterias.

Congelando la leche se pueden parar a las bacterias por completo, y la leche puede durar durante meses (hasta que los efectos como las quemaduras por congelación comiencen a estropear la leche, sin efecto bacteriano).

 

 

Refrigeración y congelación son dos formas comunes de conservar la comida hoy en día, durante más tiempo.

 

Partes de un refrigerador

Si pones una pequeña cantidad de alcohol en tu piel, sentirás frio – bastante frío. Eso no está refrigerado, entonces ¿cómo sucede? Bien, el alcohol se evapora a temperatura ambiente de la misma forma que el agua se evapora a temperaturas calientes. Cuando se evapora, absorbe calor de la superficie de tu piel, haciendo que sientas frío en esa zona.

 

Es importante cerrar bien el frigorífico para que el ciclo refrigerador funcione correctamente
Es importante cerrar bien el frigorífico para que el ciclo refrigerador funcione correctamente

 

Un producto especial llamado refrigerante funciona en un refrigerador de la misma forma que el alcohol en tu piel, exceptuando que el el refrigerante está atrapado dentro de una serie de bobinas. Así realiza un circuito a través de su interior, cambiando de líquido a gas constantemente.

 

Para llevar a cabo esta hazaña helada, el refrigerador utiliza cinco componentes principales:

  • Un compresor
  • Tuberías de intercambio de calor (un conjunto de tuberías en serpentina o espiral fuera de la unidad)
  • Válvula de expansión
  • Tuberías de intercambio de calor (un conjunto de tuberías en serpentina o espiral dentro de la unidad)
  • Refrigerador (el líquido que se evapora dentro del refrigerador para crear las temperaturas frías).

 

Entendiendo la refrigeración

Para entender qué está sucediendo dentro del refrigerador, vamos a aprender un poco más sobre cómo funciona el refrigerador llevando a cabo un experimento. Necesitarás:

  • Un tazón de cristal para horno lleno de agua
  • Un termómetro que pueda medir al menos 450 grados Fahrenheit (232,2 grados Celsius)

 

Añade el termómetro en el tazón lleno de agua e introduce ambos objetos en esta posición dentro del horno. Pon el horno a 400 grados Fahrenheit (204,4 grados Celsius).

A medida que horno se calienta, la temperatura del agua se incrementará hasta los 212 Fahrenheit (100 grados Celsius) y empezará a hervir.

 

La temperatura del agua permanecerá a 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius) incluso a pesar de que la temperatura en el interior del horno sea de 400 grados Fahrenheit (204,4 grados Celsius).

Si quitas el agua del tazón, la temperatura del termómetro se disparará a los 400 grados Fahrenheit del interior.

 

Cómo se generan los diferentes cambios de estado
Cómo se generan los diferentes cambios de estado

 

Vamos a echar un vistazo a este experimento de otra forma: Imagina la existencia de una criatura exótica capaz de vivir felizmente en el horno a 400 grados Fahrenheit. Vamos a llamarla Kim. Si Kim está genial en el horno con los 400ºF y se pone al lado del tazón de agua hirviendo a 212ºF (100ºC), ¿qué va a pensar con respecto al agua? Va a pensar que está realmente fría.

Después de todo, el agua del recipiente está 188 grados más fría que los 400ºF en los que está cómoda. ¡Esta es una gran diferencia de temperatura!

 

Esto es exactamente lo que sucede cuando un humano se encuentra con nitrógeno líquido. Nos sentimos cómodos a 70ºF (21,2ºC), pero el nitrógeno líquido está a -320ºF (-195,5ºC). Si tuvieras una olla de nitrógeno líquido en la mesa de la cocina, herviría a una temperatura de -320ºF (195,5ºC) por lo que tú, por supuesto, sentirías un frío extremo (¡ese frío podría incluso quemarte!).

 

Los refrigeradores modernos utilizan un ciclo de refrigeración para reutilizar el mismo refrigerante una y otra vez. Puedes hacerte una idea de cómo funciona recordando a Kim y su tazón de agua. Ella podría crear fácilmente un ciclo de refrigeración tomando los siguientes pasos:

 

  1. El tazón de agua del horno hierve a 212ºF (100ºC) reduciendo los 400ºF en forma de vapor. Vamos a pensar que Kim almacena este vapor en una bolsa grande.
  2. Una vez que todo el agua se ha evaporado, Kim presuriza el vapor en un contenedor de hierro, donde la temperatura alcanza los 800ºF (426,6ºC) de esta forma la presión aumenta. Ahora, Kim piensa que el contenedor de hierro tiene mucha “calor” porque contiene 800ºF (426,6ºC) de vapor, en lugar de 400ºF.
  3. El contenedor de hierro libera este exceso de temperatura al aire del horno, y finalmente convierte la temperatura del horno en 400ºF. Durante el proceso, el vapor de alta presión del contenedor se condensa en agua a presión.
  4. Llegados a este punto, Kim libera el agua a presión del contenedor en una olla, e inmediatamente después comienza a hervir, esta temperatura cae a los 212ºF.

 

Nuestra criatura exótica, Kim, nos explica cómo funcionan los cambios de estado para poder llegar a entender el ciclo de refrigeración. Si quisiera seguir con el mismo, solamente tendría que repetir estos cuatro pasos anteriores reutilizando el mismo agua una y otra vez.

 

El ciclo de refrigeración

El refrigerador de tu cocina utiliza un ciclo similar al descrito anteriormente. La diferencia es que en tu refrigerador la circulación es continua. En el siguiente ejemplo, asumiremos que el refrigerante utilizado es amoníaco puro, el cual hierve a -27ºF. Esto es lo que sucede para mantener el refrigerador frío:

 

El ciclo de refrigeración en funcionamiento
El ciclo de refrigeración en funcionamiento

 

  1. El compresor comprime el gas amoníaco. El gas comprimido aumenta su temperatura si es presurizado.
  2. Las tuberías en la parte de atrás del refrigerador le permiten al gas de amoníaco caliente liberar la temperatura. El gas amoníaco se condensa en amoníaco líquido a alta presión.
  3. La alta presión del amoníaco líquido fluye a través de la válvula de expansión. Puedes pensar que la válvula de expansión es un agujero pequeño. Por un lado del agujero el amoníaco se encuentra en estado líquido en alta presión, mientras que por el otro lado la presión baja (porque el compresor está absorbiendo gas de ese lado).
  4. El amoníaco líquido rápidamente hierve y se evaporiza, su temperatura ha llegado a los -27ºF. Esto hace que el interior del refrigerador sea frío.
  5. El gas amoníaco frío es absorbido por el compresor, y el círculo se repite.

 

A propósito, si has apagado el coche en un día caluroso de verano cuando has tenido el aire acondicionado funcionando, podrías haber escuchado un ruido debajo de la capota. Ese ruido es el sonido del líquido refrigerante de alta presión fluyendo a través de la válvula de expansión.

 

El gas de amoníaco puro es altamente tóxico para las personas y plantearía un grave problema si el refrigerador se estropeara, por ello los refrigeradores caseros no utilizan amoníaco puro. Podrías haber oído hablar de refrigerantes como los CFCS (clorofluorocarbonos), desarrollados originalmente por Du Pont en el año 1930 como un gas no tóxico que reemplaza el amoníaco. CFC-12 (diclorodifluorometano) tiene el mismo punto de ebullición que el amoníaco. Sin embargo, el CFC-12 no es tóxico para los humanos, así que es seguro para utilizar en tu cocina. A pesar de esto, muchos refrigeradores industriales aún utilizan amoníaco.

 

En el año 1970, descubrieron que el uso de los CFCs era perjudicial para la capa de ozono, así que en el año 1990, todos los refrigeradores nuevos y los aires acondicionados utilizan refrigerantes que son menos dañinos para la capa de ozono.

 

Refrigeradores de gas y propano

Si eres propietario de un vehículo recreativo es probable que tengas un refrigerador de gas o propano. Estos refrigerantes son interesantes porque no tienen partículas en movimiento y utilizan gas o propano como su principal fuente de alimento. De esta forma, utilizan la temperatura para producir el frío de dentro del refrigerador.

Nevera portátil de gas
Nevera portátil de gas

Un refrigerador de gas utiliza amoníaco como congelante, y el agua, el amoníaco y el gas hidrógeno para crear un ciclo continuo para el amoníaco. El refrigerador tiene cinco partes principales:

 

  • Generador – crea el gas amoníaco
  • Separador –separa el gas amoníaco del agua
  • Condensador – donde el gas caliente del amoníaco se enfría y se condensa para crear amoníaco líquido
  • Evaporador – donde el amoníaco líquido se convierte en gas para generar temperaturas frías dentro del refrigerador
  • Amortiguador – absorbe el gas amoníaco en agua

 

Funciona de esta forma:

  1. Se aplica calor a la solución de amoníaco y agua del generador. (El calor proviene de la quema de gas, propano y keroseno.)
  2. Cuando la mezcla alcanza el punto de ebullición del amoníaco, este fluye hacia el separador.
  3. El gas amoníaco fluye hacia el condensador, disipa el calor y se convierte de nuevo en líquido.
  4. El amoníaco líquido se dirige hacia el evaporador donde se mezcla con el hidrógeno de gas y se evapora, generando temperaturas frías dentro del refrigerador.
  5. Los gases de amoníaco e hidrógeno fluyen hacia el amortiguador donde el agua almacenada en el separador en el paso Nº2, es mezclada con los gases de amoníaco e hidrógeno.
  6. El amoníaco forma una solución con el agua y se libera el hidrógeno de gas, que vuelve hacia el amortiguador.
  7. La solución de amoníaco y agua fluyen hacia el generador para repetir el ciclo.

 

Los refrigeradores de gas y propano siguen los mismos pasos que los refrigeradores que puedes tener en casa. La mayor diferencia que puedas encontrar es la utilización de un refrigerante diferente. El gas y el propano utilizan el amoníaco para generar frío en el refrigerador.

 

Refrigeradores eléctricos y solares

No necesitarás una mochila para mantener tu ensalada de patata fresca si tienes un práctico refrigerador que se conecta al encendedor de cigarrillos. Estos aparatos se rigen por un proceso único conocido como efecto Peltier, un efecto termoeléctrico, para producir temperaturas frías. Es bastante curioso, y algo de lo que no hemos hablado todavía.

 

Experimento “efecto Peltier”

El nombre “efecto Peltier” se debe a su descubridor, un físico francés del siglo 19. Puedes crear el efecto Peltier por ti mismo usando una batería, dos piezas de alambre de cobre, y un alambre de bismuto o de hierro.

Ata los alambres del cobre a las dos poleas de la batería, y después conecta el alambre de bismuto o de hierro entre las dos piezas de alambre de cobre. (El bismuto/hierro y el cobre tienen que estar en contacto – esta conexión es la que origina el efecto Peltier.)

La unión donde la corriente fluye desde el cobre hasta el bismuto empezará a calentarse, y la unión donde fluye la corriente del bismuto al cobre se volverá fría.
 La temperatura máxima alcanzada por la unión caliente es de 40 grados Fahrenheit (22,2 grados Celsius) a temperatura ambiente.

 

Como esperarás, en un refrigerador eléctrico la unión caliente está colocada fuera de la unidad, y la unión caliente está dentro. Para amplificar el efecto, los refrigeradores contienen montones y montones de uniones.

Funcionamiento de un refrigerador con energía solar
Funcionamiento de un refrigerador con energía solar

 

Las neveras eléctricas no son el único invento diseñado para enfriar tu almuerzo. Los refrigeradores con energía solar son otra opción. Si planeas pasar el tiempo libre de camping (o quieres empezar tu propio puesto de perritos calientes), es posible que desees tomar una bebida fría pero no tienes energía eléctrica para un refrigerador normal.

No te preocupes, puedes utilizar un refrigerador con energía solar, un simple panel solar hará los honores de capturar el calor para generar el frío en su interior. ¿Utilizar la energía de los rayos solares para convertir algo en frío? Es ingenioso, ¿verdad?

 

Compresas frías

Hablando de refrigeración y de frío, has usado alguna vez una de esas “compresas frías instantáneas” que parece una bolsa plástica llena de líquido. La golpeas, la sacudes y se vuevle extremadamente fría. ¿Qué sucede dentro?

El efecto de las compresas frías es similar al de cubitos de hielo
El efecto de las compresas frías es similar al de cubitos de hielo

 

El líquido frío de dentro es agua. En el agua hay otra bolsa de plástico que contiene nitrato de amoníaco fertilizado. Cuando golpeas la compresa fría, se rompe el tubo haciendo que el agua se mezcle con el fertilizante. Esta mezcla crea una reacción endotérmica – absorbe calor. La temperatura de la solución cae a los 35ºF (1,66ºC) durante 10 o 15 minutos.

 

 

 

Resumen
El refrigerador es un electrodoméstico diseñado para conservar frescos y en buen estado los alimentos.

La refrigeración fue ideada para disminuir el efecto bacteriano de la comida y prevenir de esta forma, las enfermedades. El funcionamiento de las neveras se centra en un ciclo de refrigeración en constante movimiento:

  • El compresor comprime el gas aumentando su temperatura.
  • El gas se condensa en estado líquido pasando por los tubos de detrás del refrigerador.
  • A alta presión fluye a través de la válvula de expansión.
  • El líquido se evaporiza rápidamente generando temperaturas bajo 0º. Esto hace que el interior del refrigerador permanezca frío.
  • El gas que se va calentando vuelve a entrar por el compresor y se repite el ciclo.

Hay diferentes tipos de refrigeradores: de gas, propano, eléctricos e incluso energías renovables como la solar. Además, otro dato de interés es que las compresas frías contienen el mismo ciclo de refrigeración aunque no es continuo, en 10-15 minutos su efecto desaparece.

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2 COMENTARIOS

  1. Una pregunta. Cuando el gas se condensa y pasa a estado líquido, ¿a qué temperatura está aproximádamente? ¿a más de -27ºF o a menos? Porque pienso que para estar en estado líquido tiene que estar a menos que eso (si no se evaporaría, no?). Por otro lado, no parece muy lógico que esté tan frío después de haber pasado por el compresor, que eleva su temperatura. A parte, ¿cómo logra una temperatura tan fría siendo que el ambiente seguramente está bastante más caliente? Muchas gracias. Muy interesante la explicación.

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