Sistemas de Refrigeración en el Laboratorio

¿Qué es la refrigeración?

Proceso de **eliminación de calor** de un cuerpo o un espacio.

Métodos Generales

• **Transporte de calor**
• **Calor latente**
• **Sustancia fría**

Frigoría

**Frigoría:** Pérdida de calor por un cuerpo de una kilocaloría o, lo que es lo mismo, el enfriamiento necesario para disminuir 1 ºC la temperatura de 1 kg de agua.

Rangos de Temperatura

• **Enfriamiento:** de 24ºC a 14ºC
• **Refrigeración:** de 14ºC a 0ºC
• **Subrefrigeración:** de 0ºC a -15ºC
• **Congelación:** de -15ºC a -35ºC
• **Subcongelación:** de -35ºC a -200ºC
• **Criogenia:** cerca de 0 K

Métodos de Refrigeración y Refrigerantes

Métodos Físicos

• **Fusión**
• **Vaporización**
• **Sublimación**
• **Expansión de un gas**

Métodos Químicos

• **Reacción química**
• **Disolución**

Obtención de Frío por Reacción Química y por Disolución

Utiliza la **reacción** o **disolución** de reactivos para **absorber calor** del entorno por medio de una **reacción endotérmica**. La variación de entalpía de reacción indicará si:

• ΔH > 0 → absorbe calor (**reacción endotérmica**)
• ΔH < 0 → desprende calor (**reacción exotérmica**)

Obtención de Frío por Fusión, Evaporación y Sublimación

Al juntar dos cuerpos de diferentes temperaturas, los calores se intercambian hasta alcanzar el **equilibrio térmico**. Se aprovechan los **calores específicos** y **calores latentes** para absorber calor del objeto que queremos refrigerar.

Un buen refrigerante para absorber calor es el **agua**, como se muestra en su gráfica de calentamiento.

Para la sublimación no se usa el agua, ya que no tiene las propiedades adecuadas para ello. Se utiliza generalmente el **hielo seco (CO₂ sólido)** dada su capacidad de sublimación.

Obtención de Frío por Expansión de un Gas

Se basa en la aplicación directa de la **ley de los gases ideales** (PV=nRT). Un gas comprimido al **expandirse** pierde **temperatura** y, por tanto, absorbe la temperatura del exterior para equilibrarse. Al expandirse, el volumen del recipiente permanece constante y la **presión** disminuye, ya que las partículas chocan menos entre ellas. Esto causa que su temperatura baje, ya que pierden **energía cinética** dada la falta de colisiones.

Tipos de Sistemas de Refrigeración

Sistemas Abiertos

Usan refrigerantes **no contaminantes**, **no tóxicos** y **fáciles de obtener** para su utilización, como el **H₂O** o el **N₂**.

Sistemas Cerrados

Suelen usar refrigerantes **contaminantes** o **tóxicos** y que, por ello, la sustancia no puede ser liberada al exterior, como los **HFC** y sus variantes o el **NH₃**.

Propiedades de los Refrigerantes

Propiedades Físicas

• **Bajo punto de congelación:** inferior a la temperatura mínima del sistema.
• **Baja presión de condensación:** potencia del condensador necesaria menor.
• **Alta presión del evaporador:** presión positiva para evitar filtraciones.
• **Alto calor latente de vaporización:** mayor absorción de calor.
• **Alta densidad de vapor:** equipos más pequeños.
• **Alta resistencia dieléctrica:** para evitar cortocircuitos.

Propiedades Químicas

• **Toxicidad:** no deben ser venenosos para los humanos y los alimentos.
• **Solubilidad en aceite:** evitar problemas con aceite lubricante.
• **Baja solubilidad en el agua:** evitar problemas de congelación y corrosión.
• **Reactividad:** los refrigerantes no deben reaccionar con los materiales utilizados en el ciclo de refrigeración.

Efectos Ambientales

• **Detección de fugas:** Se pueden agregar productos químicos de olor fuerte.
• **Inflamabilidad:** no debe hacer mezcla de combustión con el aire.
• **ODP:** potencial de agotamiento del ozono.
• **GWP:** potencial de calentamiento global.

Agua como Refrigerante

En la gran mayoría de laboratorios, el **agua** es el **refrigerante de uso más común** y está presente en gran cantidad de aparatos y máquinas refrigerantes.

Su conjunto de propiedades hace que destaque por encima de otros refrigerantes de uso común. Se puede usar tanto en **estado líquido** como en **estado sólido**. Destaca como refrigerante para temperaturas a partir de **0ºC**.

Propiedades del Agua

**Inerte**, **no tóxica**, **estable a cualquier temperatura**.

Aplicaciones del Agua

• **Baños frigoríficos**
• **Mezclas frigoríficas**
• **Refrigerante en un sistema de destilación o rotavapor**
• **Refrigerante en radiadores de maquinaria**
• **Criotermostatos de circulación**

Vaso Dewar

Es un **sistema abierto** en el cual se utiliza un refrigerante para absorber el calor de un cuerpo. Consiste en un recipiente con una **pared doble de vidrio**, pintada de plateado y en cuyo espacio interior se produce **vacío**. Su función principal es evitar la transferencia de energía entre el interior y el exterior y proporcionar **aislamiento térmico**.

Aplicaciones del Vaso Dewar

• **Aislar térmicamente** y disminuir las pérdidas de calor.
• **Almacenar líquidos**, tanto fríos como calientes (principalmente el **nitrógeno líquido** y el **oxígeno líquido**).
• Puede almacenar **helio** aprovechando la capa de vidrio y el espacio entre paredes en el cual se añade nitrógeno líquido.
• Fuera de laboratorio se utiliza como **termostato**.

Máquinas Frigoríficas

Es un **dispositivo cíclico** que **transfiere calor** desde una zona de baja temperatura hasta otra de alta temperatura gracias a un motor eléctrico.

Los fluidos utilizados se llaman **refrigerantes** o **fluidos frigorígenos**. El objetivo de la máquina frigorífica es **extraer el calor** de un espacio para mantener baja la temperatura, transfiriéndola o desechándola en otra zona de mayor temperatura.

Sistema de una Máquina Frigorífica (Ciclo de Compresión)

Las máquinas frigoríficas utilizan un **sistema cerrado** de **refrigeración por compresión** mediante un **circuito** que reutiliza el refrigerante cíclicamente.

1. El refrigerante pasa por la **válvula de expansión** para disminuir su presión y su temperatura (**sigue líquido**).
2. Pasa por el **evaporador** absorbiendo el calor del entorno y con ello aprovecha el **calor latente** del refrigerante para evaporar (**pasa a gas**).
3. Pasa por el **compresor** para aumentar su presión y temperatura (**sigue en gas**).
4. Pasa por el **condensador** para liberar el calor absorbido al exterior y pasar de gas a líquido (**pasa a líquido**).

Criotermostatos y Unidades Refrigeradoras

Utilizan un **sistema cerrado** para enfriar un baño de un fluido a una temperatura deseada.

• El **criotermostato** utiliza un **serpentín** que actúa como **evaporador** del sistema cerrado para enfriar el baño.
• En la **unidad refrigeradora**, el baño se encuentra en una **máquina frigorífica**.
• Ambos utilizan un **controlador** para mantener constante una temperatura deseada.
• Suelen estar **aislados** para mantener la temperatura.

Aplicaciones

• **Almacenamiento**
• **Enfriamiento de muestras**, **reactivos** o **instrumentos**.
• **Enfriamiento de componentes** de sistemas externos.
• **Refrigerante para rotavapores**, **sistemas de destilación** u otros sistemas.
• **Refrigerante en refractometría**.