Sistemas de refrigeraciòn y sostenibilidad energética (2014)

SEMINARIO-TALLER
Recuperación de trayectorias
tecnológicas en Refrigeración
por Absorción/Adsorción
usando Energía Solar
Marzo 2014

Tema:
SISTEMAS DE REFRIGERACION Y
SOSTENIBILIDAD ENERGETICA

Ingº Ernesto Sanguinetti Remusgo
Expositor:
Ing. Ernesto Pablo
Sanguinetti Remusgo

Organizado por:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE
INGENIERIA Y CONCYTEC
Lugar:
SALON DE GRADOS DE LA
FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA-UNI

• Es bueno recordar algunos términos y conceptos cuando
hablamos de REFRIGERACIÓN :
• Todos los cuerpos ó sustancias que están con temperaturas
encima del CERO ABSOLUTO tienen “Energía Interna” la cuál la
pueden transmitir hacia otro cuerpo ó sustancia que está a
menor temperatura cumpliendo la Segunda ley de la
Termodinámica y es a éste tipo de energía transmitida por
diferencias de temperatura la denominamos CALOR y cuando
un cuerpo entrega calor decimos que se está “enfriando” y
aquí aparece el término FRÍO.
• Como se comprenderá el FRÍO NO EXISTE pero se usa ese
término para denominar a “ la pérdida de calor “.
GENERALIDADES

GENERALIDADES

FORMAS DE
TRANSMITIR EL
CALOR
GENERALIDADES

• La transferencia de calor ó la pérdida de calor es lo que
denominamos “producir FRIO “ y los niveles de la energía
interna que alcanzan los cuerpos ó sustancias se miden
mediante LA TEMPERATURA.
• REFRIGERAR es conseguir que una sustancia alcance una
temperatura menor a la del medio que la rodea ó con la que
está en contacto.
• Hay distintos niveles ó valores de temperaturas muy
importantes para la conservación de todo alimento perecible,
los cuales aparecen en manuales y tablas que son resultado de
la experiencia y pruebas de muchos años.
GENERALIDADESGENERALIDADES

ESCALAS DE TEMPERATURAS
GENERALIDADES

• El objeto de los métodos y sus respectivos equipos de
refrigeración es lograr una transferencia de calor para bajar la
temperatura del alimento, cuerpo ó sustancia hasta los
niveles deseados que van de acuerdo a la aplicación.
• Desde el principio de su existencia el hombre buscó encontrar
las formas de conservar el alimento durante las estaciones de
abundancia, para vivir en las estaciones de escasez. En su
búsqueda fue encontrando procedimientos como el secado, el
salado, el ahumado, el escabechado antes de que tuviese
conocimiento de las causas del deterioro de los alimentos.
GENERALIDADES

• La invención del microscopio ayudó a descubrir la existencia de
los microorganismos, causa principal del deterioro de los
alimentos y permitió además el desarrollo de otro método de
conservación: los enlatados, más conocidos como “conservas”.
• El salado, secado, ahumado, escabechado solo se puede aplicar a
cierto tipo de alimentos y aunque muchas veces mejoran el
sabor no lo mantienen como en sus condiciones originales de
producto fresco.
• Los enlatados son casi inmunes al deterioro, fáciles de procesar y
de almacenar, pero aún teniendo un sabor distintivo y delicioso
muy propio, difieren en forma notable del producto original.
GENERALIDADES

• Con el tiempo se encontró que el único medio de conservar
alimentos en su estado original ó con poquísimo cambio, es
bajando la temperatura de la sustancia ó producto alimenticio
por refrigeración, es decir enfriándolo ó congelándolo.
Esto naturalmente, constituye la ventaja principal que tiene la
refrigeración sobre todos los demás métodos de conservación
de alimentos.
• El objetivo que se persigue en la conservación de alimentos no
solo es conservar el alimento en condición ingerible, sino
también preservable hasta donde sea posible, manteniendo la
calidad con respecto a apariencia, olor , gusto y contenido
vitamínico.
GENERALIDADES

• Refrigeración Doméstica
• Refrigeración Comercial
• Refrigeración Industrial (Agroindustrial)
• Refrigeración para el Transporte de Productos
• Refrigeración de las bajas temperaturas
(Criogenia)
• Refrigeración para aire acondicionado de
“Confort”
• Refrigeración para aire acondicionado de
“Precisión”
CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN

CLASIFICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN:
Refrigeración Doméstica

Refrigeración Comercial

Refrigeración Industrial

Refrigeración para el transporte terrestre

Refrigeración para el transporte aéreo y marítimo

Refrigeración Criogénica
(Nitrógeno líquido a -190⁰C y CO2 líquido a -90⁰C)

Refrigeración para Aire Acondicionado para confort y para
precisión

Refrigeración para el Aire Acondicionado – Confort Automotriz

MÉTODOS SUPLEMENTARIOS DE
CONSERVACIÓN
• Modificación de la atmósfera ó ambiente de
conservación.
• Empleo de Agentes Químicos
• Empleo de Radiaciones Electromagnéticas
• Empleo de Flujo de Electrones

• Lo primero que encontró el hombre fueron las pieles
de animales para cubrirse, luego vivir en las cuevas.
• El descubrimiento y uso del fuego permitió un avance
importante para variar la temperatura del aire que lo
rodeaba.
• También observaron el efecto de la nieve y el hielo
sobre sus casas y sobre sus cuerpos, en los lugares
donde era posible encontrarlos, pero solo se
protegieron de ellos. Llegaron a notar que algunos
alimentos en contacto con hielo no se descomponían.
• Los chinos fueron los primeros en almacenar hielo en
bodegas de madera y paja, que la utilizaban para
enfriar bebidas.
• Posteriormente los griegos y romanos hicieron lo
mismo almacenando hielo en pozos y cavernas,
igualmente para enfriar sus bebidas.
EVOLUCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN
Y EL AIRE ACONDICIONADO
El fuego y las cavernas

• Los egipcios por su parte enfriaban el agua almacenándola
dentro de recipientes porosos. Debido a la porosidad parte
del agua “mojaba” la superficie exterior del recipiente y la
evaporación de ese líquido por circulación del aire
ambiente, enfriaba el líquido que quedaba en el interior.
• También los egipcios consiguieron tener aire acondicionado
en habitaciones del faraón, construyéndolas con piedra
pulida por un lado y áspera por el otro. Durante la noche las
piedras se enfriaban y al amanecer los esclavos construían la
habitación para que durante el día se obtengan
temperaturas del orden de 23 a 27°C mientras que en el
exterior oscilaba entre 35 y 50°C. En la noche desarmaban
todo para repetir el proceso.
• Durante siglos , hasta fines del siglo XIX, el hielo natural fue
el único medio que suministró refrigeración para conservar
productos perecederos , enfriar bebidas y fabricar helados.
Y EL AIRE ACONDICIONADO (continuación)
Enfriamiento de agua y
aprovechamiento del hielo

• En 1,805 Oliver Evans en Filadelfia planteó la teoría del ciclo cerrado de
refrigeración con éter etílico.
En 1,816 Robert Stirling planteó el ”Ciclo Stirling” para lograr refrigeración,
pero recién en 1,834 John Hershel construyó una máquina para fabricar hielo
usando ese ciclo.
• En 1,821 Thomas J. Seebeck plantea la transformación de energía térmica en
eléctrica y viceversa. También hace estudios sobre comportamiento de la
magnetización ante la unión de dos conductores diferentes que se
calentaban en un extremo.
• Por su parte en 1,834 Jean C.A. Peltier experimenta sobre el efecto térmico
que produce el paso de corriente eléctrica a través de 2 conductores
diferentes. Demuestra que hay gradiente de temperatura entre los extremos.

• En 1,823 Michael Faraday (Londres- Inglaterra) descubrió que
algunos gases se enfriaban cuando se condensaban a presión
constante.
• Luego en 1,834 , L.W. Wright logró producir hielo mediante
expansión de aire comprimido y lo siguió el norteamericano
Jacob Perkins al lograrlo expandiendo líquido y su hermano
David Perkins lo mejoró creando un sistema cerrado de
refrigeración usando la compresión y expansión del éter, lo
patentó y lo llevó a Estados Unidos de Norteamérica.
• En 1,834 el británico Jacob Perkins fabricó y patentó una
máquina de compresión simple con éter sulfúrico y metílico
para fabricar hielo.
• En 1,842, el Norteamericano John Gorrie, (Florida – USA)
descubrió que el amoníaco al escurrirse y expandirse
producía enfriamiento. También diseñó una máquina que
funcionaba con aire comprimido.
John
Gorrie
Michael
Faraday

• En 1,850 Alexander Twinning estudió la posibilidad de usar el CO2 como
refrigerante no llegando a construir ninguna máquina. Tomando las ideas
de Perkins vio la posibilidad de usar éter etílico y éter sulfúrico en las
máquinas de compresión. Entre 1,854 y 1,857 logró construir máquinas de
compresión que usaban éter como refrigerante para producir hielo.
• Entre 1,850 y 1,859 los franceses Ferdinand Carré y Edmond Carré
sentaron las bases para la refrigeración por absorción que en lugar de
usar compresor usaban calor. Edmond Carré logró construir máquinas para
enfriar agua empleando mezclas de ácido sulfúrico y agua, posteriormente
su hermano Ferdinand Carré hizo lo propio empleando mezclas de
amoníaco y agua.
• Lamentablemente la aparición en el mercado de compresores más fiables
y con mejor eficiencia relegó el avance de las máquinas de refrigeración
por absorción, progresando más rápidamente las máquinas por
compresión.

• En 1,858 Ferdinand Carré incursiona en las máquinas de
compresión usando amoníaco líquido. Logró fabricar
hielo en pequeños bloques y a partir de 1,876 aparecen
plantas de hielo “artificial”.
• En 1,868 el alemán Franz Windhausen, inventó una
máquina de aire de ciclo cerrado accionada por vapor
de agua ó viento para producir hielo y en 1,886 fabricó
una máquina de compresión con dióxido de carbono
(CO2) como refrigerante .
• En 1,869 Thaddeus Sobieski Coulingcourt Lowe, que era
fabricante de calderas y equipos para gasificar coque y
quemar carbón; inventó y patentó otra máquina por
compresión utilizando el CO2 como refrigerante.
Ferdinand Carré

• En 1,872 David Boyle diseña una máquina por
compresión con amoniaco que las aplicó para
fabricar hielo y transportar carne.
• En 1,887 el suizo Raoult Pictet usó Dióxido de Azufre
ó Anhídrido Sulfuroso (SO2) como refrigerante.
Enfriaba glicerina y la transportaba como refrigerante
secundario para fabricar pistas de patinaje.
Raoult Pictet

• En 1,875, Thomas S. Mort y Eugene D. Nicolle patentaron
equipos para el transporte refrigerado de carnes congeladas
desde Australia hasta Inglaterra.
• En 1,876 Karl Paul Gottfriend Von Linde, más conocido como
Von Linde es uno de los grandes precursores del frío industrial
usando CO2 y NH3. También construyó el primer equipo de
aire acondicionado doméstico para un personaje muy rico de
la India

• En 1,877 Joel Tiffany que se dedicaba al transporte ferroviario
construye el primer equipo refrigerado por hielo.
Paralelamente lo perfeccionaron Gustavo Franklin ayudado
por el Ingeniero Andrew Chase
• Entre 1,884 y 1,887 Walter H. Nernst y Albert Von
Ettinghausen descubrieron que cuando sobre un conductor ó
semiconductor se ejerce un campo magnético y normalmente
a éste se somete a un campo eléctrico, se produce un
gradiente térmico. Hasta ahora se le sigue buscando una
aplicación práctica.

• En 1,881 el norteamericano Gustavus Swift introdujo la refrigeración para
vagones de ferrocarril que transportaban productos alimenticios.
• En 1,894 el francés Marcel Audiffren patentó una máquina para enfriar
líquidos que usaba compresor con “yugo escocés” y SO2 como refrigerante.
• En 1,894 Marcel Audiffren inventa una máquina para enfriamiento de agua
que podía ser accionada a mano ó por motor. Eran 2 esferas metálicas unidas
por un eje que se les hacía girar : una de ellas “calentaba” y la otra “enfriaba”
• Alrededor de 1,920 General Electric modificó el diseño original de Audiffren
para obtener la primera refrigeradora doméstica que logró comercializar
usando dióxido de azufre (SO2) como refrigerante.

• En 1,902 el norteamericano Willis Carrier diseña un nuevo sistema de
acondicionado con regulación de la humedad. Se le considera el PADRE DEL
AIRE ACONDICIONADO no solo por ello sino que creó una pequeña escuela
para enseñar los principios de ese sistema. En 1,915 junto con otros ingenieros
fundó la empresa Carrier Engineering que sigue hasta la actualidad como
Carrier Corporation.
• En 1,908 se inicia la máquina de eyección. Hay experimentos de Leslie, pero los
primeros resultados se dieron con los trabajos de Charles Parsons y Maurice
Leblanc en 1,909 cuando usan un chorro de vapor motriz que se hace pasar por
un VENTURI eliminando los vapores producidos en la zona de baja
temperatura.

• En 1,913 J.M. Larsen se basó en los ensayos de Thomas Moore(1,803) y de
Thomas Elkins(1,879), logrando construir un refrigerador accionado por una
manivela. Una variante fué hacer una caja dentro de otra llenando con hielo
el espacio entre ellas logrando conservar los alimentos dentro de la caja
interior.
• Más tarde construyó una caja aislada cuyo techo tenía tapa abisagrada y por
allí colocaba un bloque de hielo que refrigeraba todos los alimentos ubicados
en la parte inferior de la caja. Era prácticamete igual a las actuales
refrigeradoras.
• En 1,918 la marca KELVINATOR fabrica en serie las refrigeradoras ( invento de
Nathaniel Wales), pero tenían al comienzo las unidades condensadoras
remotas. Luego lo mejoraron.
• Entre 1,918 y 1,919 aparece el refrigerador ó “nevera” FRIGIDAIRE con la
unidad condensadora ubicada en el techo del refrigerador formando un solo
mueble. Se convirtió en la más popular y vendida por muchos años.

• En 1,918 Rudolph Viulleumier patenta el ciclo que lleva su nombre. Es similar al de
la máquina Stirling pero utiliza para su construcción un compresor térmico en lugar
de uno mecánico. Actualmente Sanyo en Japón la está mejorando y pretende
aplicarla como bomba de calor (Heat Pump) en sistemas de aire acondicionado.
• Entre 1,921 y 1,922, Baltzar Von Platen y Carl Munters inventan la máquina de
absorción a gas en Estocolmo. Emplea amoníaco como refrigerante, agua como
absorbente y el hidrógeno como fluido inerte para equilibrio de presiones,
eliminando el uso de una bomba. La marca Electrolux empezó a fabricarla en 1,924
y la empresa Norteamericana Servel compró los derechos de producción en 1,925.
• En 1,923 se fabrica la primera máquina para helados con la marca Nizer que al poco
tiempo se asoció con Kelvinator.
• En 1,926 la firma Savage introduce el uso de compresores sin pistón que usaban
una columna de mercurio que comprimía al refrigerante. No prosperó.

• Se sabe que en 1,926 Albert Einstein y uno de sus discípulos Leo Szilard, patentaron
3 tipos de refrigeradores pequeños por absorción. Usaban amoníaco como
refrigerante, agua como absorbente y butano como gas de igualación de presión.
Eran parecidos a los refrigeradores de Platen y Munters. Electrolux adquirió las
patentes.
• Muchos investigadores como Jaques Chiral (1,979-1,980) empezaron a investigar con
paneles solares como fuente de energía “gratis” y renovable como fuente de calor
para el sistema de refrigeración por absorción. Desde esa época se pensaba en
fuentes renovables de energía que debería ser usada en la refrigeración del futuro.
• En 1,928 Paul Crosley empieza a comercializar a muy bajo costo las refrigeradoras
con el sistema de absorción explicando y haciendo publicidad el hecho de eliminar
el uso de electricidad usando en su reemplazo un mechero con una llama de un
combustible barato como el kerosene ó el alcohol ó el ron. El amoníaco y el agua
eran el refrigerante y el absorbedor, pero no mencionó el gas equilibrador de
presiones.

• En 1,927 la empresa COPELAND y la Silicagel Corp. construyeron el primer
equipo de ADSORCION para enfriar vagones de un ferrocarril. Usaron dióxido
de azufre como refrigerante y silica gel como adsorbente.
La empresa CARRIER también desarrolló sistemas con silicagel y agua.
• Los efectos térmicos que acompañan a una mezcla y a la separación de un gas
de un sólido son la base de éste tipo de refrigeración. Es un proceso discontínuo
é intermitente por lo que debe buscarse la continuidad haciendo reemplazos y
regeneraciones.
• Se puede decir que hay mucha investigación en éste campo; como por ejemplo
Dimiter Tchernev (1,977-1,978) investigó y utilizó la zeolita y el agua en
sistemas cerrados con buenos resultados. Hay muchas personas que siguen
investigando y probando en diversos lugares del planeta para mejorar éste
método de refrigeración.

• Entre 1,928 y 1,933 el francés Georges Joseph Ranque descubrió por
casualidad que con un ventilador conectado a un tubo vortex, salía
aire frío por un extremo y caliente por el otro e hizo un modelo
experimental.
• Entre 1,945 y 1,947 el físico alemán Rudolf Hilsch, después de la II
Guerra Mundial, encontró los modelos experimentales y continuó su
desarrollo para lograr refrigeración con éste método tratando de
mejorar su eficiencia. Lo llamó sistema de refrigeración VORTEX.
• Hasta ahora la eficiencia de éste sistema es muy baja comparada con
un sistema por compresión de vapor y su uso es muy limitado.

• Entre 1,928 y 1,930 se formó un grupo de físicos y químicos: Thomas Midgley, Albert
Henne y Charles Kettering que apoyados por varios laboratorios buscaron fluidos
refrigerantes no tóxicos ni inflamables destinados al uso en refrigeradores
domésticos. Sus estudios y experimentos los llevaron a encontrar los CloroFluoro
Carbonos (CFC) que comenzaron con el CFC-12 ó R-12.
• La empresa DuPont compra la patente y los contrata, desarrolládose en 1,932 el CFC-
11, y en 1,935 el CFC-22. Con los años aparecieron muchísimos refrigerantes hechos
en los laboratorios.
• Todos tienen su origen a partir de HIDROCARBUROS como metano (CH4) , etano
(C2H6) y otros; reemplazando convenientemente dentro de las moléculas, los
átomos de hidrógeno por átomos de CLORO,FLUOR, unidos al CARBONO.
• Se usaron muchos años, pero sabemos que la mayoría hace tiempo fueron prohibidos
y uno que otro están en vía de desaparecer porque contribuyen a la destrucción de la
Capa de Ozono de la tierra.

En 1,939 la empresa
COPELAND COMPANY
desarrolla el primer compresor
semihermético que a
diferencia de los anteriores
(herméticos) era un compresor
que se podía reparar mecánica
y eléctricamente.

• En 1,945 hay nuevos aportes de Willis Carrier mejorando todos los equipos de aire
acondicionado, empieza a fabricar enfriadores de agua (Chillers) con compresores
centrífugos, empieza a fabricar chillers de absorción con agua-bromuro de Litio
hasta 700 TON.
• En 1,950 se empieza a estudiar la refrigeración termoacústica que es así:
Se trata de un tubo hueco que tiene un material poroso en su interior, que luego
se carga con uno ó dos gases inertes y en uno de los extremos del tubo se pone un
compresor acústico (vibra una membrana como la de un parlante). Como los 2
extremos están cerrados, al vibrar el diafragma, las moléculas de Helio y Argón,
por ejemplo, presurizadas a 20 atmósferas, oscilan de atrás hacia delante. Las
fluctuaciones crean variaciones de temperatura.
Como las partículas están próximas al material de relleno, lse consigue la
transferencia de calor lográndose que un extremo del tubo esté caliente y el otro
frío. Intercambiadores de calor a cada extremo aprovecharán esa circunstancia
según convenga.

• En 1,957 se logran algunas aplicaciones interesantes, en la refrigeración
termoiónica, basándose en estudios experimentales iniciados por Thomas A.
Edison en 1,885.
• Entre 1,962 y 1,963 ; W.Gifford y R.Longsworth en la Universidad de
Syracuse iniciaron los estrudios de la refrigeración por tubo pulsante.
Recién en 1,984 lo perfeccionó A. Mikulín en la ex Unión Soviética y
construyó un prototipo que llegó a 105ºK.
Actualmente se busca aplicación en la criogenia aunque tiene muy bajo COP.
• En 1,974 dos profesores de la Universidad de California: Sherwood Rowland
y Mario Molina presentan su hipótesis sobre “ la destrucción de la capa de
ozono que protege a la tierra” por acción de los refrigerantes CFC. Les
dieron Premio Nobel en 1,995.

• Desde 1,980 los profesores Gustav Lorentzen y Jostein Pettersen intensificaron sus
estudios sobre el uso del CO2 como refrigerante usando un ciclo transcrítico. Su
objetivo: reemplazar fluidos refrigerantes que dañan la capa de ozono y/o
producen calentamiento de la atmósfera terrestre.
• Las posteriores construcciones de equipos de refrigeración usando éste
refrigerante natural y sus mejoras, han dado buenos resultados y desde 1,990 ya
existen instalaciones diversas, inclusive en el sistema de frío de Supermercados.
• En 1,985 el alemán Peter Pringsheim idea el enfriamiento por láser: Cuando la luz
es absorbida excita electrones de las moléculas y los electrones deben eliminar
ésta energía para volver a su estado estable. Una de las vías de pérdida de energía
es mediante emisión de fotones de luz fluorescente. Si la energía emitida por
fluorescencia supera a la absorbida, el material se “enfría”. La energía extra se
extrae de las vibraciones del material.

• Entre 1,990 y 1,995 Steven Chu, basándose en los estudios de
Pringsheim y mejorándolo, logró construir un prototipo de
máquina de enfriamiento por láser.
• En 1,997 Karl Gschneidner y Vitalij Pecharsky construyen un
prototipo del refrigerador por magnetismo. Usaron
aleaciones de gadodilinio-sílice-germanio mejorando el COP
del sistema. Sabemos que se basaron en los efectos
descubiertos en 1,881 por E. Warburg, en los experimentos
de Nikola Tesla con Tomas A. Edison en 1,892, así como en los
analisis del fenómeno realizados por Weiss y Piccard en
1,918 .

EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN
DE LA ATMÓSFERA
La capa de Ozono y su destrucción

• En 1,985 se realiza la reunión de varios países preocupados por el daño a
la atmósfera y se suscribe el Convenio de Viena en Austria.
• En 1,987 los representantes de más de 30 países se reúnen en Canadá y
aprueban el PROTOCOLO DE MONTREAL relativo al control de las
sustancias que dañan ó agotan a la capa de ozono. En 1,990 se reúnen
nuevamente en Londres- Inglaterra para revisar todo lo actuado y
aprueban la Enmienda del Protocolo de Montreal y la denominan
ENMIENDA DE LONDRES. En 1,992 nuevamente se reúnen en Copenhague
– Dinamarca y aprueban la ENMIENDA DE COPENHAGUE.
• En 1,997 se reúnen en Japón, los representantes de los países para tratar
sobre la reducción de la emisión de gases hacia la atmósfera que
producen “el efecto invernadero” ó CALENTAMIENTO GLOBAL y se firma
el Protocolo de Kyoto.
DE LA ATMÓSFERA

DE LA ATMÓSFERA
El Efecto Invernadero ó Calentamiento de la Atmósfera

• En Estados Unidos de Norteamérica el gobierno crea el Consejo
de la Construcción Verde ó US Green Building Council (USGBC)
que entre 1,998 y el 2,000 establece y diseña un sistema de
calificación para la construcción de Edificios Sostenibles que lo
denominan LEED (Leadership in Energy and Environmental
Design) ó Liderazgo en Diseño Energético y Ambiental) para
lograr una mejora global en el impacto entre el medio ambiente
y la construcción misma.
• Los edificios son la fuente más importante de demanda de
energía y materiales, por ello son la mayor fuente de gases
invernadero que son los derivados de la energía que consumen y
materiales de construcción.
DEL MEDIO AMBIENTE

Japón, Reino Unido, Estados Unidos, España, Canadá, Rusia, Emiratos Árabes, Australia.
2002: Establecimiento Oficial
1998: Reunión de 8 GBC´s
Qué es el
EVOLUCIÓN Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE

Tomando como base lo anterior, a partir
del 2,007 los países con mayor
desarrollo toman muy en serio la
protección del medio ambiente y apoyan
a otros países para evitar ó por lo menos
ir reduciendo el calentamiento global y
empiezan a transmitir los sistemas de
calificación para que las construcciones
tengan un consumo eficiente de la
energía, reduzcan toda contaminación,
ahorren agua , sean amigables con el
lugar donde se construyen y sobretodo
sean SOSTENIBLES.
Aparece el concepto de EDIFICIO VERDE
y EDIFICIO VERDE INTELIGENTE.
DEL MEDIO AMBIENTE (continuación)

DEL MEDIO AMBIENTE EN PERÚ

El Peru Green Building Council es una ONG (Organización No Gubernamental)
sin fines de lucro que la forman un grupo de empresas líderes en arquitectura,
ingeniería, consultoria, bienes raíces, industria de la construcción, retailers y
tecnología, preocupados por el impacto de nuestra labor en el medio ambiente.
El Peru GBC fue fundado en marzo del 2010 y en octubre del 2011 fue nombrado
miembro establecido del World Green Building Council , junto a otros 91 países
aliados con la misma labor.

Promover la Certificación LEED y
otras iniciativas ecológicas
LEED (acrónimo de Leadership in
Energy & Environmental Design) es
un sistema de certificación
voluntario de edificios sostenibles,
desarrollado por el Consejo de la
Construcción Verde de Estados
Unidos (US Green Building Council)
en 1998.
Se apoyan en tres principios:
1. EDUCACIÓN (Capacitación profesional
y orientación)
2. DIFUSIÓN (Procedimientos, materiales,
tecnología, tendencias )
3. RELACIONES INSTITUCIONALES
(Ministerios, Municipios, Gremios,
Colegios profesionales, etc.)
Objetivo : Una Construcción Sostenible

Pre-requisitos
Obligatorios
No dan puntos
Créditos
Voluntarios
Dan puntos
Innovación en Diseño 6
Prioridad Regional 4
Calidad de Ambiente Interior 15
Eficiencia en Uso de Agua 10
Energía y Atmósfera 35
Sitios Sostenibles 26
Materiales y Recursos 14
Fuente: USGBC
LEED evalúa las etapas de diseño, de construcción y de todo el período operativo del edificio y
mide sus valores y rendimientos de eficiencia durante todo el tiempo.
Ejemplo de un proyecto certificado como Nueva Construcción (puntos posibles: 110)

40 – 49 puntos* 50 – 59 puntos* 60 – 79 puntos* Más de 80 puntos*
* LEED v3, 2009
Fuente: USGBC

Sin usar un fluido
refrigerante
Usando un fluido
refrigerante
Sist. por compresión
de vapor
Sistema por ciclo de aire
Sistema Vortex
Sistema por adsorción Sistema Stirling
Sistema por eyección Malone
(gas)
Sistema
Termoeléctrico
Termoiónico
Peltier
Sistema
Termoacústico
Vuillemieur
(líquido)
Tubo
pulsante
Sistema
Termomagnético
Con cambio de
fase ó estado
Sin cambio de
fase ó estado
Sistema por absorción
MÉTODOS PARA PRODUCIR REFRIGERACIÓN

SISTEMAS DE REFRIGERACION
QUE NECESITAN UNA
SUSTANCIA DE TRABAJO ó
FLUIDO REFRIGERANTE

MÉTODOS PARA PRODUCIR REFRIGERACIÓN
Sin usar un fluido
refrigerante
Usando un fluido
refrigerante
Sist. por compresión
de vapor
Sistema por ciclo de aire
Sistema Vortex
Sistema por adsorción Sistema Stirling
Sistema por eyección Malone
(gas)
Sistema
Termoeléctrico
Termoiónico
Peltier
Sistema
Termoacústico
Vuillemieur
(líquido)
Tubo
pulsante
Sistema
Termomagnético
Con cambio de
fase ó estado
Sin cambio de
fase ó estado
Sistema por absorción

Con cambio de fase:
Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR

• La refrigeración por compresión se logra evaporando un refrigerante en
estado líquido dentro de un intercambiador de calor llamado evaporador. Para
evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse
el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Antes de ingresar al evaporador se
hace pasar por un componente denominado dispositivo de expansión que se
encarga de bajar la presión del lìquido refrigerante.
• Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía
térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o
líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga
térmica y aquí se produce lo que denominamos FRIO.
• Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de
aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro
intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo.
Con cambio de fase:

• En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto
el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga
térmica. Ya que este aumento de presión además produce un
aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del
fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- es
necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse
por medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador,
definido muchas veces en función del refrigerante.
• De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede
evaporarse nuevamente a través de la válvula de
expansión, repitiéndose el ciclo de refrigeración por compresión de
vapor.
Con cambio de fase:

Con cambio de fase:
Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR usando energía
solar

Con cambio de fase:
Refrigeración por COMPRESIÓN DE VAPOR usando energía
geotérmica

• El sistema de refrigeración por absorción es otro método de
producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por
compresión aprovecha que las sustancias ó refrigerantes, absorben
calor al cambiar de estado, de líquido a gaseoso. Así como en el
sistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, en
el caso de la absorción, el ciclo necesita una fuente de CALOR .
• Se aprovecha la capacidad que tienen algunas sustancias, como
el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua
que actúa como el refrigerante, en fase de vapor. Otra posibilidad
es emplear el agua como substancia absorbente (disolvente)
y amoníaco que actúa como refrigerante ó substancia absorbida
(soluto).
Con cambio de fase:
Refrigeración por ABSORCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por ABSORCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por ABSORCIÓN usando energía solar

• La adsorción es el fenómeno en el cual un cuerpo sólido, bajo
la liberación de una determinada cantidad de energía en
forma de calor, adsorbe o atrapa en su superficie una cantidad
de materia gaseosa, cuyo efecto contrario, la separación de la
materia gaseosa del cuerpo sólido mediante entrega de calor
a dicho cuerpo, se reconoce como desorción.
• Se usan como adsorbentes: las zeolitas, la silica gel, las tierras
diatomeas y otras. Para la regeneración del adsorbente se
puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua ,etanol, metanol o
un gas inerte caliente.
Con cambio de fase:
Refrigeración por ADSORCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por ADSORCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por ADSORCIÓN usando energía solar

• Este sistema es similar al sistema por compresión de vapor, pero se
sustituye al compresor por un elemento que se llama EYECTOR que le dá
nombre al sistema.
• La succión del vapor producido en el evaporador se efectúa por el efecto
del tubo VENTURI, creado por la expansión de un flujo de vapor de agua,
en una tobera convergente divergente que produce velocidades
supersónicas en la garganta y un pequeño tramo donde aumenta la
sección de salida del eyector
• La compresión del vapor hasta su nivel de condensación se hace en la
parte divergente( aumento de sección del eyector) porque convierte
energía cinética ( velocidad ) en energía de presión ( o simplemente
aumenta la presión) , por efecto de la onda de choque ( paso de régimen
supersònico a subsónico.
• Al igual que el sistema de absorción requiere de una fuente de calor.
Con cambio de fase:
Refrigeración por EYECCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por EYECCIÓN

Con cambio de fase:
Refrigeración por EYECCIÓN usando energía solar

Uno de los sistemas de refrigeración que más se emplean en la aviación es el de ciclo de
aire . Se basa en el principio de eliminación de calor por transformación de la energía
calorífica en trabajo mecánico, este es empleado en aviones comerciales, transportes
militares y aviones de combate, funciona con el aire que se extrae del compresor del
turborreactor, dicho aire caliente y a presión, se emplea para calefacción, refrigeración e
incluso para la presurización de la cabina.
Sin cambio de fase:
Refrigeración por MÁQUINAS DE AIRE

Sin cambio de fase:
Refrigeración por MÁQUINAS DE AIRE

Sin cambio de fase:
Refrigeración VORTEX

SISTEMAS DE REFRIGERACION
QUE NO NECESITAN UNA
SUSTANCIA DE TRABAJO ó
FLUIDO REFRIGERANTE

• Los experimentos de Peltier fueron seguidos a los de Thomas
Seebeck, quien en 1821 descubrió que una fuerza electromotriz
puede ser producida por el una batería y se generaba diferencia de
temperaturas entre los extremos ó uniones de 2 materiales
conductores y viceversa.
Refrigeración TERMOELÉCTRICA

Refrigeración TERMOELÉCTRICA

• La refrigeración ó enfriamiento termoiónico consiste en situar 2 electrodos
planos ò placas planas separadas por una pequeñísima distancia medida en
micras, colocadas expresamente a diferentes temperaturas dentro de un
recipiente al vacío. Lo interesante es que se vá observando el paso natural de
la corriente eléctrica del más caliente al más frío, no por conducciòn, ni
convección: es una transmisión termoiónica por diferencia de potencial.
• Pero cuando se aplica energía eléctrica que crea una mayor diferencia de
potencial entre ellas, los electrones de una de las placas se aceleran en
abandonarla ( inclusive si comenzamos con ambas a la misma temperatura),
logrando muy rápidamente enfriar la superficie que inicialmente estaba a la
misma temperatura que la otra. Transportan calor en forma de energía
cinética. Como es lógico, si inicialmente estaba más caliente mayor será su
enfriamiento. La otra placa “ fría” se calienta pero no mucho como sería de
esperar.
Refrigeración TERMOIÓNICA

• El procedimiento termoiónico es una vieja idea muy simple: se calienta
suficientemente una pieza metálica de manera que algunos electrones lleguen a
tener una energía suficiente como para desprenderse del material masivo y así se
tiene una emisión termoiónica. Esta es la principal característica de la vieja
tecnología de los tubos de vacío, usados, por ejemplo, en los tubos de televisión. Si
los electrones son expelidos desde una cátodo caliente o “emisor” y recapturados
a lo largo de una pequeña separación en un ánodo más frío y se les permite
circular a lo largo del circuito retornando al cátodo, el dispositivo genera
electricidad.
• Hace años se propuso que este ciclo se podría invertir para crear un refrigerador
termoiónico. En esencia, al lanzar electrones al emisor del dispositivo se enfría esa
parte del mismo en tanto que el colector se calienta. Sin embargo, es bastante
difícil arrancar a los electrones del metal y conducirlos a la zona de vacío entre el
emisor y el colector.

• Se ha sugerido que una película delgada semiconductora podría insertarse entre el
emisor y el colector para reemplazar al vacío. Como esto evita la separación de
carga requerida para impulsar a los electrones desde el metal hacia la zona de
vacío, las necesidades energéticas disminuyen substancialmente. Esto significa que
un enfriador termoiónico que utilice un semiconductor puede funcionar a
temperatura ambiente en vez de tener que hacerlo a altas temperaturas.
• Se ha podido arribar a un enfriamiento de 7°C a una temperatura operativa de
150°C. Mediante la optimización del espesor y la composición de la película
semiconductora delgada así como el empaquetamiento de estos microenfriadores,
las estimaciones muestran que se podrían alcanzar entre 20 y 30°C de
enfriamiento. Se ha experimentado con componentes semiconductores tal como
el fosfoarseniuro de indio y galio con fosfuro de indio y silicio con germaniuro de
silicio en sus enfriadores termoiónicos.

• Además del trabajo termoiónico, se está
estudiando una tecnología similar basada en el
denominado cátodo emisor frío. Estos
dispositivos son creados a partir de estructuras
de dimensiones micrométricas de silicio con
forma piramidal, dispuestas sobre una
plataforma de silicio en un arreglo que
contiene miles de ellos por cada centímetro
cuadrado. Como estos elementos tienen una
forma puntiaguda, se genera un campo
eléctrico intenso en el punto, de modo tal que
emiten electrones cuando están fríos.
• Estos dispositivos han existido por años, pero
los investigadores están ahora comenzando a
considerar su uso en las aplicaciones de
técnicas de enfriamiento.

• En el proceso de enfriamiento magnético, se aplica un fuerte campo
magnético a un refrigerante, tal como el metal gadolinio, alineando los espines
de sus electrones desapareados. Esto disminuye la entropía y hace que el
refrigerante se caliente. Cuando se elimina el campo magnético, los espines
revierten sus orientaciones en una forma azarosa y el refrigerante se enfría. A
una mayor intensidad de campo magnético le corresponde un mayor cambio
de temperatura. Este comportamiento se denomina “efecto
magnetocalórico”.
• Cambiando la concentración relativa de los componentes de la aleación, o sea
la relación silicio/germanio, se logran cambios de temperaturas a las cuales
tienen lugar los máximos efectos magnetocalóricos. Para los casos estudiados,
el máximo rango de variación alcanzado ha sido –240°C a 15°C. Se pueden
usar diferentes aleaciones en combinación en un refrigerador magnético para
mantener la eficiencia a bajas temperaturas.
Refrigeración TERMOMAGNÉTICA

• Se ha llegado a descubrir esta clase de materiales ferromagnéticos gigantes
con características magnetocalóricas de fórmula general Gd5(SixGel-x)4.
• Hay informes acerca del logro de una potencia de enfriamiento de 600 W, un
coeficiente de desempeño cercano a 15, y una eficiencia del 60% del límite de
Carnot. Como referencia, baste citar que un refrigerador por compresión de
gas típicamente alcanza una eficiencia máxima del 40% del límite de Carnot.
Como la refrigeración magnética no debe recurrir a la expansión y compresión
de un refrigerante, entonces requiere alrededor de un tercio menos de
energía que la tecnología convencional de compresión gaseosa. Esto hace que
la refrigeración magnética resulte atractiva para usos intensivos en energía,
tales como las unidades de refrigeración de los supermercados, el
procesamiento químico o el refinamiento del azúcar.

Comparación con el sistema
por compresión de vapor

• Es de vital importancia el desarrollo de sistemas de bajo consumo y alto
rendimiento, esto es debido a que en los últimos años el ahorro de
energía y la manera en la que se utiliza se ha vuelto un estudio muy
importante no solo en el tema ambiental, también para que los sistemas
de consumo de energía estén al alcance de toda la población y de manera
análoga creen un bajo consumo para la sociedad.
• Así se llega a la implementación de la “Refrigeración Termoacústica”, que
es un sistema de variación de temperatura que utiliza ondas sonoras en un
medio dopado con un gas presurizado que transfiere calor de un sitio a
otro, es una tecnología en desarrollo actualmente y sus principales
ventajas se observan en la conservación de la capa de ozono al no utilizar
refrigerantes tóxicos, y también en su mecanismo al utilizar ondas sonoras
se requieren menos partes mecánicas que otros sistemas de enfriamiento.
Refrigeración TERMOACÚSTICA

• Consiste en convertir la energía de una onda acústica estacionaria dentro de
un tubo con un extremo abierto, donde estará un parlante el cual transmitirá
la onda acústica, y en el otro extremo una tapa con un coeficiente de
absorción bajo con relación a nuestra frecuencia, y un conjunto de pitillos, los
cuales servirán como rendijas en el tubo.
• La onda acústica estacionaria conduce un flujo de calor de un extremo al otro.
Si el extremo que esta a temperatura ambiente, el extremo opuesto se
enfriara, este es el sistema que se puede utilizar para refrigerar.
• Para optimizar y controlar un poco el efecto termo acústico, utilizamos un
conjunto de pitillos pequeños, los cuales nos servirán como una rendija,
además de separar un extremo del otro, haciendo que el efecto sea más
notorio, el calor transitara a través de nuestro conjunto de pitillos,
permitiendo que el aire pase por ellas durante la oscilación, pero haciendo
suficiente contacto con el aire para intercambiar calor. En un extremo de la
rendija se calentara y por ende el otro extremo se enfriara.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Ing. Ernesto Sanguinetti R.
esanguinetti@coldimport.com.pe

Sistemas de refrigeraciòn y sostenibilidad energética (2014)

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