Refrigeración Sectores de la industria

La criogenia y la refrigeración

Entre los dos procesos conocidos como criogenia y refrigeración existen diversas similitudes y diferencias. Por ello, aclarar sus aplicaciones, virtudes e inconvenientes puede permitir una mayor apertura para el trabajo de ambos sectores en la industria.

Alejandro Morales Peñaloza y Gilberto Pérez Lechuga.

La historia de la refrigeración y la criogenia están estrechamente relacionadas, pues ambas ayudaron a consolidar muchos conceptos de la física teórica y la termodinámica; por ejemplo, las diferencias entre energía, calor y temperatura; la asociación de entropía y flujo de calor; las ideas abstractas de escala absoluta de temperatura y de estado cuántico de la materia, entre otras.

La mayoría de los conceptos anteriores tardaron alrededor de 200 años en madurar y comprenderse. Un caso curioso es que los termómetros se inventaron sin saber exactamente qué era lo que se media con ellos.

En adición a esto, el estudio de la materia a muy bajas temperaturas llevó al descubrimiento de nuevos fenómenos y tecnologías en áreas muy diversas de la ciencia, lo que abrió una gama de aplicaciones y nuevos desarrollos en la ciencia y la ingeniería, a tal grado que existe un lenguaje derivado de la misma raíz: tecnología criogénica o cryotecnología; ingeniería criogénica o cryoingeniería; criofísica, criobiología, crioconservación, crionia, cryotempering, cryotribology, cryomilling, cryoSEM, crioválvula, por mencionar algunas.

Por ello, aunque la raíz etimológica de criogenia se refiere también a refrigeración (del griego  frío y generación, es decir, “generación del frío”), se utiliza de manera exclusiva en el ámbito de las temperaturas inferiores a 120 °K.

Actualmente, a la criogenia se le considera como la rama de la ciencia que estudia los mecanismos de producción, mantenimiento y utilización de bajas temperaturas. El criterio para el uso del término “crio” o “cryo” en las diversas áreas de la ciencia es que el objeto de estudio se encuentre por debajo de los 120 °K, mientras que en el campo tecnológico la restricción es que el fluido o mecanismo se use en esas condiciones. Por ejemplo, para el caso en que un sensor se use a bajas temperaturas, pero la electrónica opere a temperatura normal, no se considera apropiado el uso del término criogénico.

10Figura 1.  La simplicidad de estas expresiones esconde 200 años del trabajo arduo de muchas personas. La primera se refiere a la definición de entropía sobre una base estadística y la segunda se refiere a la equivalencia entre energía y temperatura

Los ciclos termodinámicos
Cualitativamente, podría decirse que el ciclo termodinámico es el mismo para un refrigerador y un licuefactor; sin embargo, en la práctica, el segundo maneja presiones más elevadas y temperaturas más bajas, por lo que requiere diseños más robustos, mejores materiales y estrategias de aislamiento térmico más elaboradas.

Además, para maximizar la capacidad de enfriamiento, el refrigerador requiere condiciones de operación que mantengan el fluido entre el punto crítico y el punto triple, aprovechando así la entalpía de evaporación; mientras que el licuefactor busca condiciones de presión y temperatura que permitan condensar el fluido (μ π > 0), o realizar un pre-enfriamiento.

Básicamente, todos los ciclos comprimen o expanden un gas, y cada uno puede realizarse de diversas formas:
Adiabáticamente: aislados del medio externo
Isotérmicamente: en contacto con el ambiente
Isobáricamente: la absorción o disipación de calor se realiza a presión constante e implica un cambio de volumen

11Figura 2. Muchas áreas requieren de refrigeración, con distintas capacidades de enfriamiento, diferentes tecnologías y rangos de trabajo

De la manera secuencial en que se presenten estos procesos es como se conforman los diferentes ciclos termodinámicos, aunque en la práctica no es fácil discernir el comienzo y fin de un proceso, o simplemente se llevan a cabo en paralelo.

En los sistemas de refrigeración y criogenia modernos, se están introduciendo nuevas tecnologías y principios físico-químicos, en los que algunas de estas etapas se omiten, los fluidos usados son menos perjudiciales con el medioambiente, las operaciones de mantenimiento son menos frecuentes y se poseen menos partes móviles, por lo que el ruido presenta menor intensidad.

Lo anterior no significa que se esté gestando un reemplazo de tecnología, sino que se está diversificando, en función del sistema y la carga másica por refrigerar, el rango de temperaturas de trabajo, por mencionar algunos elementos.

Entre las técnicas más prometedoras y con distinto nivel de madurez tecnológica actual, se encuentran la refrigeración por absorción, cambio de fase, por efecto termoeléctrico, termoacústico y magnetocalórico. A nivel de investigación básica, se pueden mencionar el efecto termoiónico y el termotunelamiento.

12Figura 3. Tecnologías de refrigeración más viables, en función de la carga de refrigeración y el rango de trabajo

Tendencias y nuevas oportunidades
Los sistemas convencionales de refrigeración y aire acondicionado, en esencia, están experimentando la incursión de técnicas activadas por energía solar, como la absorción y el cambio de fase, siempre que el espacio y la irradiación no sean limitantes.

En sistemas de absorción, los refrigerantes usuales han sido amoniaco y halocarbonos, pero se están reemplazando por agua, formaldehído, etanol o metanol, dependiendo del rango de trabajo.

Cuando el espacio y la capacidad de enfriamiento son relevantes, la primera etapa del ciclo descrito sigue siendo la compresión, pero el tradicional compresor de pistón está evolucionando hacia motores Stirling, con y sin pistón, accionados por un motor lineal (refrigeradores portátiles de hasta 250 °K, con helio o hidrógeno) y, en sistemas de menor demanda, por energía solar.

Algunos elementos técnicos exclusivos de la licuefacción a escala industrial, como las boquillas de eyección, las membranas de estrangulación y las turbinas de expansión, se escalaron y se están utilizando en refrigeradores de hasta 200 °K, con helio, y microlicuefactores de hasta 5L LN2/día.

Los sistemas basados en los efectos termoacústico, termoeléctrico y magnetocalórico poseen la característica de que pueden usarse sin distinción como refrigeradores o calefactores, sin modificaciones en la parte física, sólo cambios menores en la electrónica de control.

Los sistemas termoacústicos se perfilan viables para aire acondicionado, refrigeración comercial, criogenia e, inclusive, en electrónica; pero, de momento, sus dimensiones distan mucho de ser atractivas comercialmente. Los fluidos usados hasta ahora son helio, nitrógeno y argón.

Por su parte, la potencia de los dispositivos que usan el efecto termoeléctrico y magnetocalórico no es muy grande hasta el momento. En el primer caso, se usan principalmente como controladores de temperatura de alta precisión y su principal ventaja es que se pueden construir a escala de micrómetros, por lo que resultan idóneos en electrónica y micromecanismos. En el segundo, debido a la ausencia de contactos mecánicos que sirvan como disipadores de calor, se usan para alcanzar temperaturas extremadamente bajas (~ μ K). Por lo regular, ambos operan en relación con el punto de ebullición de un fluido, como el Helio o el Nitrógeno.

Procesos que componen un ciclo simple

  • Una compresión de forma isotérmica, que se consigue comprimiendo el gas en su paso por un disipador de calor. En los primeros sistemas, el disipador era un simple radiador; en los actuales, se trata de un intercambiador de calor
  • Una expansión de gas en forma adiabática, la cual puede ser isentrópica o isentálpica. Esta etapa es la que produce enfriamiento
  • Una expansión isobárica, por la exposición del gas frío al medio que se desea refrigerar y que inevitablemente produce absorción de calor y la expansión del gas
  • El gas tibio regresa a su temperatura y presión inicial, y es llevado a la entrada del compresor

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Alejandro Morales Peñaloza
Físico egresado de la UAEM, con Maestría en Ciencias por el CINVESTAV-IPN y en Ingeniería por el ITESM-Toluca. Doctorado en Ciencias por el CINVESTAV-IPN. Cuenta con ocho publicaciones en el área de superconductividad y actualmente es profesor-investigador en la UAEH.

Gilberto Pérez Lechuga
Ingeniero Industrial, con Maestría y Doctorado en Ingeniería en Investigación de Operaciones; posdoctorado en Ingeniería de Confiabilidad en Plantas Nucleares y Optimización Estocástica de Sistemas Dinámicos No Lineales. Investigador Nivel 1 del Sistema Nacional de Investigadores y Director de la Escuela Superior de Apan.

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