PRIMER PREMIO DEL II CONCURSO DE ARTÍCULOS DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA DE LA UNIVERSIDAD DE BURGOS.
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología – Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.
Autor: Manuel Iván González Martín. Profesor del Área de Física Aplicada. Escuela Politécnica Superior. Universidad de Burgos.
¿Alguien se ha parado a pensar cómo funciona la legión de aparatos que nos hacen la vida más fácil y cómoda cada día? Ordenadores, televisiones, automóviles, teléfonos y otros muchos cachivaches: tenemos una idea clara de lo que hacen y mucho menos clara de cómo lo hacen. Nuestra ignorancia es comprensible en el caso de dispositivos como el móvil o el televisor de pantalla plana, que no solo tienen circuitos electrónicos complejos, sino que además han irrumpido en nuestra vida hace pocos años. Sin embargo, otros cacharros llevan décadas con nosotros y su funcionamiento no es particularmente complicado. Es el caso del frigorífico o nevera que todos tenemos en la cocina de casa.
Ponemos cerveza del tiempo en la nevera y al cabo de unas horas ahí está, toda fresquita, haciéndonos salivar. Almacenamos unos filetes en el congelador y tenemos la certeza de que podremos zampárnoslos sin peligro dentro de dos meses. La nevera, ¿cómo lo hace? ¿mete algo en la comida o saca algo de ella? Veamos.
La nevera de casa está formada por cuatro elementos básicos: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. Estos elementos están conectados en disposición circular mediante una tubería. Por ella circula una sustancia refrigerante, cuyas propiedades se eligen conforme a criterios técnicos que aquí no hacen demasiado al caso. El refrigerante recorre una y otra vez los cuatro elementos siguiendo un camino circular, como se sugiere en la siguiente animación:
El refrigerante se encuentra en estado líquido durante una parte de su recorrido y en forma de vapor el resto del tiempo. En el vídeo la nubecita quiere representar refrigerante vapor y la gotita, líquido.
Como el camino del refrigerante es cíclico podemos empezar a analizarlo por donde queramos. Comencemos por el compresor. Simplificando un tanto, es un motor eléctrico provisto de palas giratorias que reciben el refrigerante, lo impulsan e incrementan su presión, permitiendo entre otras cosas que pueda recorrer el circuito completo. Para ser más precisos, el compresor recibe refrigerante vapor a baja presión y expulsa refrigerante, también en forma de vapor, a alta presión. El proceso no es gratis; el compresor necesita electricidad para hacer su trabajo. Esta es la parte de la máquina que consume energía.
Os preguntaréis cómo es y dónde está el compresor. Pues suele ser un cofrecito metálico negro que se encuentra escondido en la parte trasera de la nevera y junto a su base. La siguiente foto muestra el compresor que lleva el frigorífico de mi casa:
Sigamos. Resulta que un refrigerante a alta presión y en forma de vapor tiene unas ganas locas de pasar al estado líquido, es decir, de condensarse. Esta es la misión del condensador; de ahí su nombre. Técnicamente un condensador es un intercambiador de calor, o sea, un elemento de gran tamaño donde el refrigerante cede calor a sus alrededores. Esto es imprescindible: el vapor debe entregarle calor a alguien –calor latente es su nombre técnico– si quiere convertirse en líquido.
La condensación es un fenómeno cotidiano. Por poner un solo ejemplo, lo experimentamos cada mañana cuando nos duchamos y se nos empaña el espejo del baño. El espejo se empaña al depositarse sobre él minúsculas gotitas de agua líquida, procedentes de la condensación del vapor de agua que libera la ducha. El vapor parece buscar el espejo porque se trata de una superficie relativamente fría, a quien le puede ceder cómodamente calor latente. En otras palabras, el espejo es nuestro condensador matutino, y se calienta progresivamente a medida que se va empañando, solo que ese calentamiento es muy ligero y pasa desapercibido.
¿Queréis saber dónde está el condensador del frigo de casa? Suele ser una parrilla de color oscuro que serpentea por la parte trasera del aparato, justo por encima del condensador. La siguiente foto también corresponde a mi nevera:
¿Y a quién le cede calor el condensador? Pues al ambiente de la cocina. De hecho, si metéis la mano detrás de vuestra nevera, os abrís paso entre telarañas y tocáis su condensador es muy posible que lo encontréis calentito, porque le está entregando calor a la cocina. Posible, pero no seguro: puede ocurrir que el compresor de vuestro frigo esté parado cuando hagáis la prueba, porque no necesita trabajar las veinticuatro horas para mantener refrigeradas vuestras existencias. Pero si hacéis la prueba cuando el condensador ronronea a buen seguro el condensador estará templado o caliente.
Siguiente etapa. Por razones que quedarán claras un poco más adelante, ahora tenemos que arreglárnoslas para reducir la presión del refrigerante líquido que sale del condensador. Esa es la principal misión de la válvula de expansión. Es un elemento poco llamativo, que normalmente no estará a la vista si lo buscáis en vuestra nevera. En esencia consiste en un estrechamiento muy acusado del conducto por el que viaja el refrigerante, seguido de un ensanchamiento. En cuanto el refrigerante supera el estrechamiento, pasa a “disponer de mucho más espacio para moverse” y esto hace que su presión se reduzca drásticamente.
Un ejemplo cotidiano que puede esclarecer el modo en que funciona la válvula es una jeringuilla: cuando empujamos el émbolo el líquido de su interior se encuentra a presión relativamente alta, pero en cuanto escapa al exterior su presión se reduce.
¿Queeeeeeeé? ¡Si siempre nos han dicho que el agua abandona la jeringuilla con “mucha presión”! Pues no es cierto: sale a gran velocidad, pero lo hace a presión atmosférica. Precisamente sale con cierta velocidad porque la presión dentro de la jeringuilla es superior a la presión atmosférica. Para terminar con este ejemplo, conviene indicar que como símil es imperfecto por varios motivos. Aquí solo citaré uno de ellos: el líquido de la jeringuilla escapa hacia la atmósfera, mientras que el refrigerante de nuestra nevera continúa confinado en el interior de su tubería tras abandonar la válvula de expansión.
Y ahora llega lo más interesante: el evaporador. Los líquidos a baja presión, como el refrigerante que sale de la válvula, desean con toda su alma pasar al estado gaseoso, es decir, evaporarse. De ahí el nombre del cuarto y último elemento. Sólo se requiere una cosa importante: un lugar de donde extraer calor. Esto es así porque, del mismo modo que un vapor tiene que entregarle calor latente a alguien para condensarse, un líquido necesita robarle calor a alguien para evaporarse. Precisamente el evaporador es un serpentín parecido al condensador, pero revestido con una chapa metálica blanca, que se encuentra dentro de la nevera, al fondo. La siguiente imagen corresponde a un frigorífico un tanto cochambroso, pero es particularmente informativa. La placa metálica rectangular es el evaporador. Los dibujos que se aprecian en él son resaltes por cuyo interior circula el refrigerante, y el objeto curvado de la parte inferior derecha contiene la tubería de entrada (procedente de la válvula) y también la de salida, que va al compresor.
A medida que el refrigerante circula por los conductos del evaporador debe robar calor de sus alrededores para evaporarse. Y claro, son los alimentos que almacenamos en la nevera los que en última instancia entregan ese calor, con lo que ¡tachán! su temperatura disminuye.
Con el siguiente vídeo nos convenceremos de que efectivamente un líquido evaporándose “produce frío”:
Tras presenciar esto, alguno podría pensar que no necesitamos gastar pasta en una nevera para refrigerar nuestros alimentos. Con el siguiente vídeo espero convenceros de lo contrario:
En resumen, el frigorífico extrae calor de su recinto y de los alimentos que contiene, reduciendo su temperatura, y entrega ese calor a la cocina donde nos presta servicio. Pero no lo hace gratis, porque hay que aportar energía eléctrica para hacer funcionar el compresor. Para hacernos una idea aproximada usando números redondos, por cada tres partes de calor extraído de los alimentos (flechas azules en la imagen de más abajo), es preciso aportar una parte de energía adicional tomada de la red eléctrica (flecha verde). En consecuencia, el condensador le entrega a la cocina cuatro partes de energía (flechas naranja) en forma de calor.
Así que si os han preguntado alguna vez si la cocina se enfriaría al mantener abierta la puerta de la nevera, la respuesta es un no rotundo: la cocina se calentaría porque recibiría cuatro partes de calor por cada tres partes extraídas de ella en primera instancia.
