Principios de termodinámica en aire acondicionado

En aire acondicionado y refrigeración siempre trabajamos con la transmisión de calor para lograr un cierto enfriamiento. Muchas veces se confunde con el concepto de frío, pero el frío no existe como tal: es simplemente la ausencia de calor o la pérdida de energía térmica.

La transmisión de calor se refiere a sacar o retirar el calor de una casa o vivienda. En aire acondicionado, esto lo hacemos en un serpentín evaporador, donde atrapamos el calor usando como medio de transporte un refrigerante. Ese calor lo transmitimos hacia un compresor, que a su vez lo comprime, le eleva la presión y la temperatura para que inmediatamente después sea liberado en otro serpentín llamado condensador. Por eso el condensador siempre está caliente, mientras que el evaporador está frío.

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.

La segunda ley nos dice que el calor siempre viaja del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo 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 aislada térmicamente, 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 calor es una forma de energía creada principalmente por otros tipos de energía. En aire acondicionado, el calor es creado por energía mecánica, como la compresión de un compresor.

Una de las medidas más usadas en aire acondicionado y refrigeración son los BTU (unidad térmica británica): es el calor necesario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua. En el sistema internacional usamos los watts térmicos, que tienen una equivalencia de 3.4121 BTU. Las capacidades son mejor conocidas en toneladas de refrigeración, que equivalen a 12,000 BTU por hora. Eso significa que 12,000 BTU por hora es la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo en 24 horas. De ahí que las toneladas de refrigeración sean una unidad de medida de extracción de carga térmica, o coloquialmente una unidad de enfriamiento. Por ejemplo, 3 toneladas de refrigeración equivalen a 36,000 BTU por hora.

Hay otros dos conceptos relacionados con la energía en el aire acondicionado. Aunque como técnicos instaladores no los vas a usar directamente en campo (se utilizan más en diseño), es importante que los conozcas porque intervienen en el desempeño óptimo del equipo, que en gran medida depende de una buena instalación y un buen mantenimiento.

La entalpía representa la energía total absorbida por una sustancia. Su variación representa la cantidad de energía transferida con el entorno. En un evaporador se atrapa el calor del cuarto y la entalpía aumenta. En un condensador hace lo contrario: se expulsa el calor que se atrapó del cuarto, entonces la entalpía disminuye. Esto es normal en la práctica.

Ahora, si tienes un evaporador mal ubicado o instalado con mínimos espacios entre el techo y el cielo de la habitación, o los filtros o el serpentín están muy sucios, el evaporador no atrapa el calor para lo que fue diseñado y la entalpía no aumenta lo suficiente. Del mismo modo, si el condensador está ubicado entre dos o tres pretiles muy altos o está muy sucio y no puede expulsar el calor, la entalpía no disminuye lo suficiente. Estas condiciones afectan directamente la eficiencia energética de cualquier equipo de aire acondicionado.

La entropía, por definición, es la energía perdida o desaprovechada en un sistema. Entre menor sea la entropía, el equipo será más eficiente energéticamente. Por ejemplo, si no haces vacío al sistema de un aire acondicionado de una tonelada de refrigeración (12,000 BTU por hora) o le haces un mal vacío, tendrás como consecuencia que el compresor sufra daños y no opere correctamente. La relación de compresión no será suficiente para entregar la capacidad de 12,000 BTU por hora para la que fue diseñado. Un porcentaje de esa compresión se convierte en trabajo desperdiciado: digamos 8,500 BTU por hora, y los otros 3,500 BTU por hora se pierden transformados en calentamiento del compresor.

La temperatura es una magnitud de medición del calor. En aire acondicionado la medimos con un termómetro, regularmente en grados centígrados o en grados Fahrenheit, 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, esa temperatura se libera al ambiente hasta que se igualan las temperaturas del ambiente y las tuberías. El calor puede viajar de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

Calor por conducción: si tocas la tubería a la salida del compresor, está muy caliente. 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: si le quitamos suficiente calor, logramos que se congele a 0 grados centígrados. Al contrario, si le agregamos calor, logramos que hierva a 100 grados centígrados.

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 tenemos que sobrecalentarlo para garantizar que al compresor no le llegue refrigerante líquido, porque si no se desviela. En un condensador lo pasamos de vapor a líquido y tenemos que subenfriarlo 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 de evaporación es el calor necesario para cambiar una sustancia de estado líquido a vapor o de vapor a líquido. 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. Con esto garantizamos una correcta carga de refrigerante para que el equipo entregue su capacidad potencial. 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, también conocido como sobrecalentamiento o en inglés superheat, 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, también conocido como subcooling, es la condición que se presenta a la salida del condensador y sirve para garantizar que se le esté retirando calor al refrigerante.

Bien amigos, llegamos al final de un tema más. Les agradecemos su compañía y los invitamos a que sigan viendo nuestros videos para que sigan aprendiendo. Nos vemos aquí en el Taller Frikko en el siguiente episodio.