EL INFLADOR DE BICICLETAS Y LA CARGA DEL SIFÓN Algunos habrán notado que al utilizar el inflador, este se calienta al usarlo, los menos se habrán preguntado por qué?, a veces ensayando a modo de explicación puede pensarse que es el roce del embolo sobre el cilindro, pero si por ello fuere, debiera calentarse parejo a todo lo largo y en realidad se calienta cada vez más hacia el extremo por donde sale el aire comprimido, este hecho es muy fácil comprobarlo. Deberemos recurrir a la física para explicarlo, según las leyes de los gases estos mantienen una relación constante entre presión, volumen y temperatura y entonces, si a una masa constante de gas le cambiamos su presión aumentándola, aumenta su temperatura. Es lo que ocurre con el inflador a medida que movemos el émbolo, vamos aumentando la presión por lo tanto va aumentando la temperatura llegando al máximo en el extremo de salida del aire. En algunos hogares existe todavía el uso de fabricar soda en casa con unos envases de acero inoxidable y una garrafa de gas carbónico, quien haya tenido la experiencia sabe que al agregar el gas al agua contenida en el cilindro o esfera, según el caso, el extremo de la garrafa de gas carbónico se enfría bastante (puede hacerse la experiencia sin conectar el sifón y se llega a producir hielo inclusive en la cabeza de la garrafa de gas,) podemos y debemos recurrir a la física una vez mas y en realidad explicarlo como el proceso inverso al ya mencionado del inflador, la disminución de la presión disminuye la temperatura del gas y por ende enfría la salida de la garrafa. Y dirán ustedes, que tiene que ver el inflador y el sifón en esto? Veamos: Enfriar ya sea el aire de un recinto o agua, implica sacar calor del aire o del agua y llevarlo a otro recinto a mayor temperatura, o sea vencer el primer principio de la termodinámica aquel que dice el calor fluye de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura. Para ello nos valemos de diversas técnicas que llamamos ciclos de refrigeración, siendo dos de ellos los más usados en instalaciones de aire acondicionado. CICLOS DE REFRIGERACIÓN: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN (véase el personaje de blanco y el respeto de los paisanos) CICLO DE RERIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN FASE 0 Si tenemos un cilindro que dispone de un embolo desplazable y tenemos en su interior un gas, tendremos una temperatura inicial (T in) a una presión inicial (P in) y lo mismo tenemos en el exterior del cilindro (T in). FASE 1 luego desplazando el embolo a su posición superior habremos comprimido el gas es decir tendremos (P +) y como sabemos que al aumentar la presión aumenta la temperatura tendremos una (T +), (EL EFECTO DEL INFLADOR), en ese estado y por el primer principio de la termodinámica el calor fluirá del interior a mayor temperatura al exterior del cilindro. FASE 2 luego de un tiempo las temperaturas en ambos lados del cilindro serán iguales o sea en equilibrio, pero la presión en el interior del cilindro será alta o sea tendremos (P +) y (T in) (si consideramos el exterior infinitamente grande este no habrá cambiado de temperatura)
FASE 3 si en este estado llevamos el cilindro a un recinto cerrado es decir el exterior del cilindro es relativamente chico y descomprimimos el cilindro, tendremos una presión menor y por el efecto inverso a la compresión una temperatura menor, (EL EFECTO DE LA CARGA DE GAS EN EL SIFÓN), ahora el calor fluirá en sentido contrario, pero el recinto externo al cilindro no dispone de infinita cantidad de calor por ende al ceder el mismo al interior del cilindro la temperatura disminuirá lo cual es el efecto buscado, hasta llegar a igualar las temperaturas FASE 4 de equilibrio, y a partir de allí retirando el cilindro del recinto cerrado, comenzar un nuevo ciclo. El recinto exterior mencionado puede ser el interior de la heladera, una habitación, etc. Como vimos valiéndonos de principios de la física hemos conseguido extraer calor de un recinto y expulsarlo al exterior. Si ha comprendido como es el proceso de enfriamiento por compresión, siga, sino vuelva a leer desde FASE 0 Pero resulta poco práctico andar traficando con el cilindro a cuestas, de adentro para afuera, por lo tanto hemos reemplazado componentes de las fases mencionadas por otros que sin modificar los principios utilizados nos permiten hacer el ciclo continuo y sin tener que mover los componentes.
COMPONENTES DE CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN La fase 1 del ciclo la realiza el COMPRESOR, Estos pueden ser: los llamados alternativos, o de pistones siendo los más antiguos y comunes, hoy se los ha reemplazado parcialmente por otros, como ser Scroll, Screw (tornillo), centrífugos, dependiendo de distintas particularidades de los distintos gases utilizados y el destino de los ciclos Desde el compresor el fluido refrigerante es enviado mediante una cañería al CONDENSADOR, para cumplir aquí la fase 2, es decir sale calor del sistema Qh, la salida de calor manteniendo la presión hace que los gases utilizados comúnmente llamados Freón o R, en estas condiciones, se condensen o sea cambien de estado gaseoso a líquido, este cambio de estado si bien no es
fundamental permite disminuir de manera muy importante las dimensiones de los componentes. Los condensadores son un haz de tubos aleteados (parecido a un radiador de automóvil) llamado serpentina comúnmente los hay de cuatro tipos Condensación por aire de convección natural, una serpentina plana vertical permite la salida de calor, solo apto para pequeños sistemas (es la parrilla caliente de la parte posterior de todas las heladeras familiares) Condensación por aire de convección forzada, generalmente es un ventilador axial (véase lo que el viento se llevo) el que va forzar el paso de aire exterior a través de la serpentina quitando calor. Condensación por agua, en este caso el haz de tubos no tiene aletas y están todos sumergidos en un recipiente lleno de agua, donde el calor se transfiere al agua, el agua caliente (35 grados) va necesitar ser enfriada por ello se la lleva mediante una bomba, a una torre de enfriamiento (*), para luego volver al condensador. (a 30 grados) Condensación evaporativa, (la menos común) el haz de tubos es rociado permanentemente con agua y un ventilador al forzar el paso de aire produce la evaporación del agua quitando gran cantidad de calor, estos son de reducidas dimensiones, pero se necesita agua muy pura para evitar las incrustaciones muy difíciles de remover de los tubos. El líquido a alta presión y temperatura normal, está listo y en condiciones de ser llevado al recinto donde queremos extraer calor y para ello expandido en la VÁLVULA DE EXPANSIÓN, pequeño dispositivo que cumple la misión inversa del compresor, FASE 3 Esta válvula de expansión, las hay de muy diversos tipos desde simple filamentos de cobre (heladeras familiares e imposible de ver) hasta sofisticadas y electrónicamente controladas (grandes equipos). El líquido a baja presión es llevado a un haz de tubos llamado EVAPORADOR
para cumplir aquí la fase 4, es decir ingresa calor del sistema Qc, la entrada de calor manteniendo la presión hace que el líquido utilizado, en estas condiciones, se evapore o sea cambie de estado de líquido a gas, Los evaporadores son un haz de tubos aleteados (parecido a un radiador de automóvil) llamado serpentina comúnmente los hay de tres tipos Evaporador de convección natural, una caja metálica rodeada de una serpentina, solo apto para pequeños sistemas (es el llamado congelador, ubicado en la parte interna y superior, de las heladeras familiares) Evaporador de convección forzada, generalmente una serpentina plana vertical compuesta de un haz de tubos aleteados, más un ventilador centrífugo (véase lo que el viento se llevó) el que va forzar el paso de aire del ambiente a través de la serpentina cediendo calor. Evaporador por agua, en este caso el haz de tubos no tiene aletas y están todos sumergidos en un recipiente lleno de agua, donde el calor del agua se transfiere al interior de los tubos para permitir en cambio de estado del fluido refrigerante, el agua fría (4 grados) se la lleva mediante una bomba, a unidades terminales, llamadas FAN_COIL (cuando son pequeñas) o U.T.A. (cuando son de mayor tamaño) para el acondicionamiento de los locales, luego de cumplido con su cometido el agua no tan fría (10 Grados) regresa al evaporador siempre impulsada por la bomba. UTILIDAD DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN Esta presente en los más diversos equipos, cuya denominador común es el de tener menor temperatura que el medio que lo rodea y va desde: Un surtidor de agua fría, Pasando por la heladera familiar,
(En ambos casos de condensación por convección natural, parrilla posterior) Las heladeras comerciales, el freezer, las cámaras frigoríficas, las vitrinas exhibidoras de alimentos perecederos, los equipos de aire acondicionado de ventana, los equipos splits, Los equipos de aire acondicionado llamados Roof-top, Hasta las máquinas enfriadoras de líquidos para grandes edificios como hoteles, shoppings, museos, (En este caso de condensación por agua, donde las entradas de más adelante corresponden al agua enfriada y las de más atrás al agua que debe ir a la torre de enfriamiento) (**) En esta imagen se trata de una M.E.L. (maquina enfriadora de líquidos), de condensación por aire, el aire ingresa por las serpentinas laterales y sale impulsado por los
ventiladores axiales visibles en la cara superior. (**)Torre de enfriamiento: Equipo que se usa para enfriar agua en grandes volúmenes, el enfriamiento ocurre cuando se introduce el agua por la parte superior de la torre, por medio de vertederos o boquillas para distribuirla en la mayor superficie posible y al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación ) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre, constituyendo un sistema abierto de circulación.