Principios de termodinámica en aire acondicionado

El evaporador recibe calor del aire interior y el refrigerante lo transporta por el circuito. El compresor eleva la presión y la temperatura del refrigerante; después, el condensador permite ceder calor al exterior. El taller usa este recorrido para explicar el enfriamiento en lugar de tratar el frío como una sustancia que se fabrica.

La termodinámica es una rama de la ciencia que estudia la energía, su almacenaje y transformación, y trata sobre la acción mecánica del calor. Veamos la primera y la segunda ley, que son muy fáciles de entender.

La primera ley dice que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformarse. Recuerda que en el evaporador del aire acondicionado atrapamos calor a cierta temperatura y en el condensador liberamos calor a otra temperatura. Es decir, transformamos la energía.

El taller explica el flujo espontáneo de calor desde una región de mayor temperatura hacia otra de menor temperatura. Por ejemplo, en una casa con aire acondicionado, al abrir una puerta o una ventana muchos creen que se escapa el frío. En realidad, tal como lo dice la segunda ley, el calor ingresa a la casa porque afuera hay mayor temperatura que dentro de ella. Por eso, si tenemos una casa con aislamiento térmico, al calor le costará más trabajo cruzar esa barrera térmica. Se conserva por más tiempo la temperatura interior y, como beneficio, el equipo de aire acondicionado trabaja menos tiempo para mantener una temperatura de confort, lo que se traduce en ahorro de energía eléctrica.

El taller introduce la unidad térmica británica, BTU, y las toneladas de refrigeración para expresar la capacidad de extracción de calor de un equipo. Una tonelada de refrigeración corresponde a 12,000 BTU por hora; en el ejemplo, tres toneladas corresponden a 36,000 BTU por hora.

Al comparar capacidades, conserva la unidad de tiempo: la capacidad de enfriamiento se expresa en BTU por hora. El valor de una energía en BTU no debe confundirse con una potencia.

El capítulo relaciona la entalpía con los intercambios de calor del refrigerante: aumenta al absorber calor en el evaporador y disminuye cuando se cede calor en el condensador. La utilidad práctica del ejemplo es revisar que ambos intercambiadores puedan trabajar con el flujo de aire requerido.

Un evaporador con filtros o serpentín sucios, o con poco espacio para mover aire, no realiza el intercambio previsto. En el condensador, la suciedad y las obstrucciones del entorno dificultan expulsar calor. El taller también relaciona un vacío deficiente con daños y pérdida de desempeño.

Estos ejemplos describen condiciones que afectan la operación; no son una prueba de capacidad ni una fórmula para calcular pérdidas de energía. No utilices valores ilustrativos de pérdida de capacidad para diagnosticar otro equipo.

La temperatura se mide con un termómetro y permite comparar las condiciones de distintos puntos del sistema, regularmente en grados centígrados o en °F, para realizar mediciones como el sobrecalentamiento, el subenfriamiento y el diferencial de temperatura en los serpentines evaporador y condensador, entre otras.

Siguiendo con la segunda ley de la termodinámica, que dice que el calor fluye de mayor a menor: si enciendes un aire acondicionado en modo frío por un determinado tiempo, las tuberías del condensador alcanzan una determinada temperatura. Al apagarse el equipo, las tuberías ceden calor al ambiente hasta aproximarse al equilibrio térmico. El calor puede viajar de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

Calor por conducción: el taller utiliza como ejemplo la tubería caliente a la salida del compresor. Ese calor se transmite al serpentín condensador y va perdiendo temperatura al ser enfriado por un abanico. Calor por convección: cuando el calor del cuarto o una habitación se hace circular por el movimiento del aire inyectado, ese calor es atrapado por el evaporador para que el refrigerante hierva. Calor por radiación: cuando la energía de la luz solar va calentando cualquier cuerpo o superficie.

Conocer los cambios de estado de una sustancia es fundamental para cualquier técnico de aire acondicionado y refrigeración. Partamos del agua: al retirar calor puede congelarse y al agregarlo puede vaporizarse. Las temperaturas del cambio de estado deben interpretarse junto con la presión.

Estos cambios de estado tienen su nombre. Cuando pasamos de estado líquido a gaseoso se le conoce como vaporización o ebullición. De gaseoso a líquido se le conoce como condensación o licuación. En aire acondicionado y refrigeración trabajamos con esos cambios de estado, donde la sustancia es el refrigerante. En un evaporador lo pasamos de líquido a vapor y es necesario que salga como vapor sobrecalentado para garantizar que al compresor no le llegue refrigerante líquido, para evitar daños en el compresor. En un condensador lo pasamos de vapor a líquido y se sigue retirando calor una vez que está en estado líquido para garantizar la eficiencia del equipo.

En estos cambios de estado son protagonistas dos tipos de calor: el calor sensible y el calor latente. El calor sensible es aquel que provoca un cambio de temperatura en una sustancia, como el refrigerante en un aire acondicionado. El calor latente se refiere a la cantidad de calor que se tiene que agregar o quitar a una sustancia para que cambie de estado; en este proceso su temperatura no cambia. En el evaporador cambia de estado líquido a gaseoso y en el condensador de gaseoso a líquido.

El calor latente se relaciona con el cambio de estado; el capítulo lo explica mediante la evaporación y la condensación. Esto es lo que sucede en un aire acondicionado: constantemente se está cambiando de estado, evaporando y condensando, a una presión constante en un sistema convencional o a una presión variable en un equipo inverter de acuerdo a la demanda de carga térmica.

La temperatura de saturación es una condición donde el líquido y el vapor pueden existir al mismo tiempo. Estas temperaturas las leemos en los manómetros: el de baja en el evaporador y el de alta en el condensador. También las encontramos en las tablas de presión-temperatura de todos los fabricantes de refrigerantes.

En la práctica nos sirve para realizar mediciones de sobrecalentamiento en el evaporador y corroborar que tengamos un diferencial adecuado de acuerdo al tipo de equipo. Esta medición forma parte de la revisión y debe interpretarse según el tipo de equipo. También sirve para evitar que el compresor comprima refrigerante líquido y se dañe, y para medir el subenfriamiento en el condensador y garantizar la eficiencia energética del equipo. Por último, también encontramos una temperatura de saturación en un tanque de refrigerante.

El vapor sobrecalentado es la condición donde se garantiza que el refrigerante está solo en vapor. La presión y la temperatura no varían de manera proporcional para pasarlo al compresor. El líquido subenfriado es la condición que se presenta a la salida del condensador y sirve para garantizar que se le esté retirando calor al refrigerante.