Refrigeración - Refrigeration

El término refrigeración significa enfriar un espacio, sustancia o sistema para bajar y / o mantener su temperatura por debajo de la ambiente (mientras que el calor eliminado se rechaza a una temperatura más alta). En otras palabras, la refrigeración es artificial (de origen humano) de refrigeración . La energía en forma de calor se extrae de un depósito de baja temperatura y se transfiere a un depósito de alta temperatura. El trabajo de transferencia de energía se impulsa tradicionalmente por medios mecánicos , pero también puede ser impulsado por calor, magnetismo , electricidad , láser u otros medios. La refrigeración tiene muchas aplicaciones, incluidos refrigeradores domésticos , congeladores industriales , criogénicos y aire acondicionado . Las bombas de calor pueden utilizar la salida de calor del proceso de refrigeración y también pueden diseñarse para ser reversibles, pero por lo demás son similares a las unidades de aire acondicionado.

La refrigeración ha tenido un gran impacto en la industria, el estilo de vida, la agricultura y los patrones de asentamiento. La idea de conservar los alimentos se remonta al menos a los antiguos imperios romano y chino. Sin embargo, la tecnología de refrigeración mecánica ha evolucionado rápidamente en el último siglo, desde la recolección de hielo hasta los vagones de ferrocarril con temperatura controlada . La introducción de vagones refrigerados contribuyó a la expansión hacia el oeste de los Estados Unidos, lo que permitió el asentamiento en áreas que no estaban en los principales canales de transporte, como ríos, puertos o senderos del valle. También se estaban desarrollando asentamientos en partes infértiles del país, llenas de recursos naturales recién descubiertos.

Estos nuevos patrones de asentamiento provocaron la construcción de grandes ciudades que pueden prosperar en áreas que de otro modo se pensaba que eran inhóspitas, como Houston , Texas y Las Vegas , Nevada. En la mayoría de los países desarrollados, las ciudades dependen en gran medida de la refrigeración en los supermercados para obtener sus alimentos para el consumo diario. El aumento de las fuentes de alimentos ha llevado a una mayor concentración de las ventas agrícolas provenientes de un porcentaje menor de fincas. Hoy en día, las granjas tienen una producción por persona mucho mayor en comparación con fines del siglo XIX. Esto ha resultado en nuevas fuentes de alimentos disponibles para poblaciones enteras, lo que ha tenido un gran impacto en la nutrición de la sociedad.

Historia

Formas más tempranas de enfriamiento

La recolección estacional de nieve y hielo es una práctica antigua que se estima que comenzó antes del 1000 a. C. Una colección china de letras de este período conocida como Shijing , describe las ceremonias religiosas para llenar y vaciar las bodegas de hielo. Sin embargo, se sabe poco sobre la construcción de estas bodegas de hielo o el propósito del hielo. La siguiente sociedad antigua en registrar la cosecha de hielo puede haber sido la de los judíos en el libro de Proverbios, que dice: "Como el frío de la nieve en el tiempo de la cosecha, así es un mensajero fiel para los que lo enviaron". Los historiadores han interpretado que esto significa que los judíos usaban hielo para enfriar bebidas en lugar de para conservar alimentos. Otras culturas antiguas, como los griegos y los romanos, cavaron grandes pozos de nieve aislados con hierba, paja o ramas de árboles como almacenamiento en frío. Al igual que los judíos, los griegos y los romanos no usaban hielo y nieve para conservar los alimentos, sino principalmente como un medio para enfriar bebidas. Los egipcios también desarrollaron métodos para enfriar bebidas, pero en lugar de usar hielo para enfriar el agua, los egipcios enfriaron el agua poniendo agua hirviendo en tinajas de barro poco profundas y colocándolas en los techos de sus casas por la noche. El viento humedecería el exterior de los frascos y la evaporación resultante enfriaría el agua. El pueblo antiguo de la India utilizó este mismo concepto para producir hielo. Los persas almacenaban hielo en un pozo llamado Yakhchal y pueden haber sido el primer grupo de personas en utilizar el almacenamiento en frío para conservar los alimentos. En el interior de Australia, antes de que existiera un suministro eléctrico confiable donde el clima podía ser cálido y seco, muchos agricultores usaban una caja fuerte Coolgardie . Este consistía en una habitación con arpillera cortinas (arpillera) que cuelgan del techo empapado en agua. El agua se evaporaría y, por lo tanto, enfriaría las cortinas de arpillera y, por lo tanto, el aire que circula en la habitación. Esto permitiría conservar muchos productos perecederos como frutas, mantequilla y carnes curadas que normalmente se estropearían con el calor.

Cosecha de hielo

Antes de 1830, pocos estadounidenses usaban hielo para refrigerar alimentos debido a la falta de depósitos de hielo y neveras. A medida que estas dos cosas se volvieron más accesibles, las personas usaron hachas y sierras para recolectar hielo para sus almacenes. Este método resultó ser difícil, peligroso y ciertamente no se parecía a nada que pudiera duplicarse a escala comercial.

A pesar de las dificultades de recolectar hielo, Frederic Tudor pensó que podría capitalizar este nuevo producto recolectando hielo en Nueva Inglaterra y enviándolo a las islas del Caribe, así como a los estados del sur. Al principio, Tudor perdió miles de dólares, pero finalmente obtuvo ganancias cuando construyó casas de hielo en Charleston, Virginia y en la ciudad portuaria cubana de La Habana. Estas casas de hielo, así como los barcos mejor aislados, ayudaron a reducir el desperdicio de hielo del 66% al 8%. Esta ganancia de eficiencia influyó en Tudor para expandir su mercado de hielo a otras ciudades con casas de hielo como Nueva Orleans y Savannah. Este mercado de hielo se expandió aún más a medida que la recolección de hielo se hizo más rápida y barata después de que uno de los proveedores de Tudor, Nathaniel Wyeth, inventara un cortador de hielo tirado por caballos en 1825. Este invento, así como el éxito de Tudor, inspiraron a otros a involucrarse en el comercio del hielo y el hielo. la industria creció.

El hielo se convirtió en un producto del mercado masivo a principios de la década de 1830 y el precio del hielo cayó de seis centavos por libra a medio centavo por libra. En la ciudad de Nueva York, el consumo de hielo aumentó de 12.000 toneladas en 1843 a 100.000 toneladas en 1856. El consumo de Boston saltó de 6.000 toneladas a 85.000 toneladas durante ese mismo período. La recolección de hielo creó una "cultura de enfriamiento" ya que la mayoría de la gente usaba hielo y neveras para almacenar sus productos lácteos, pescado, carne e incluso frutas y verduras. Estas primeras prácticas de almacenamiento en frío allanaron el camino para que muchos estadounidenses aceptaran la tecnología de refrigeración que pronto se apoderaría del país.

Investigación en refrigeración

La historia de la refrigeración artificial comenzó cuando el profesor escocés William Cullen diseñó una pequeña máquina de refrigeración en 1755. Cullen usó una bomba para crear un vacío parcial sobre un recipiente de éter dietílico , que luego hirvió , absorbiendo el calor del aire circundante. El experimento incluso creó una pequeña cantidad de hielo, pero no tuvo una aplicación práctica en ese momento.

En 1758, Benjamin Franklin y John Hadley , profesor de química, colaboraron en un proyecto que investigaba el principio de evaporación como un medio para enfriar rápidamente un objeto en la Universidad de Cambridge , Inglaterra . Confirmaron que la evaporación de líquidos altamente volátiles, como el alcohol y el éter, podría usarse para bajar la temperatura de un objeto más allá del punto de congelación del agua. Llevaron a cabo su experimento con la bombilla de un termómetro de mercurio como objeto y con un fuelle utilizado para acelerar la evaporación; bajaron la temperatura del bulbo del termómetro a -14 ° C (7 ° F), mientras que la temperatura ambiente era de 18 ° C (65 ° F). Notaron que poco después de pasar el punto de congelación del agua de 0 ° C (32 ° F), se formó una fina película de hielo en la superficie del bulbo del termómetro y que la masa de hielo era de aproximadamente 6,4 milímetros ( 1 ⁄ 4  pulgada). de espesor cuando detuvieron el experimento al alcanzar -14 ° C (7 ° F). Franklin escribió: "A partir de este experimento, uno puede ver la posibilidad de congelar a un hombre hasta la muerte en un cálido día de verano". En 1805, el inventor estadounidense Oliver Evans describió un ciclo cerrado de refrigeración por compresión de vapor para la producción de hielo mediante éter al vacío.

En 1820, el científico inglés Michael Faraday licuó amoníaco y otros gases utilizando altas presiones y bajas temperaturas, y en 1834, un expatriado estadounidense a Gran Bretaña, Jacob Perkins , construyó el primer sistema de refrigeración por compresión de vapor en funcionamiento del mundo. Era un ciclo cerrado que podía funcionar de forma continua, como describía en su patente:

Estoy capacitado para usar fluidos volátiles con el propósito de producir el enfriamiento o congelamiento de fluidos y, al mismo tiempo, condensar constantemente tales fluidos volátiles y ponerlos nuevamente en funcionamiento sin desperdicio.

Su sistema prototipo funcionó aunque no tuvo éxito comercial.

En 1842, el médico estadounidense John Gorrie hizo un intento similar , quien construyó un prototipo funcional, pero fue un fracaso comercial. Como muchos de los expertos médicos durante este tiempo, Gorrie pensó que la exposición excesiva al calor tropical conducía a la degeneración física y mental, así como a la propagación de enfermedades como la malaria. Concibió la idea de usar su sistema de refrigeración para enfriar el aire y brindar comodidad en hogares y hospitales para prevenir enfermedades. El ingeniero estadounidense Alexander Twining obtuvo una patente británica en 1850 para un sistema de compresión de vapor que usaba éter.

El primer sistema práctico de refrigeración por compresión de vapor fue construido por James Harrison , un periodista británico que había emigrado a Australia . Su patente de 1856 fue para un sistema de compresión de vapor que usa éter, alcohol o amoníaco. Construyó una máquina de fabricación de hielo mecánica en 1851 a orillas del río Barwon en Rocky Point en Geelong , Victoria , y su primera máquina de fabricación de hielo comercial siguió en 1854. Harrison también introdujo la refrigeración comercial por compresión de vapor en las cervecerías y la carne. empacadoras, y en 1861, una docena de sus sistemas estaban en funcionamiento. Más tarde entró en el debate de cómo competir contra la ventaja estadounidense de las ventas de carne de res no refrigerada al Reino Unido . En 1873 preparó el velero Norfolk para un envío experimental de carne de res al Reino Unido, que utilizó un sistema de cámara fría en lugar de un sistema de refrigeración. La empresa fue un fracaso ya que el hielo se consumió más rápido de lo esperado.

El primer sistema de refrigeración por absorción de gas que utiliza amoníaco gaseoso disuelto en agua (denominado "amoníaco acuoso") fue desarrollado por Ferdinand Carré de Francia en 1859 y patentado en 1860. Carl von Linde , ingeniero especializado en locomotoras de vapor y profesor de ingeniería en la Universidad Tecnológica de Munich en Alemania, comenzó a investigar la refrigeración en las décadas de 1860 y 1870 en respuesta a la demanda de los cerveceros de una tecnología que permitiera la producción de cerveza lager a gran escala durante todo el año ; patentó un método mejorado para licuar gases en 1876. Su nuevo proceso hizo posible el uso de gases como el amoníaco , el dióxido de azufre (SO ₂ ) y el cloruro de metilo (CH ₃ Cl) como refrigerantes y fueron ampliamente utilizados para ese propósito hasta finales de la década de 1920. .

Thaddeus Lowe , un aeronáutico estadounidense, poseía varias patentes sobre máquinas para fabricar hielo. Su "máquina de hielo por compresión" revolucionaría la industria del almacenamiento en frío. En 1869, otros inversionistas y él compraron un viejo barco de vapor en el que cargaron una de las unidades de refrigeración de Lowe's y comenzaron a enviar fruta fresca desde Nueva York al área de la Costa del Golfo, y carne fresca de Galveston, Texas de regreso a Nueva York, pero debido a la falta de Lowe's conocimiento sobre el transporte marítimo, el negocio fue un costoso fracaso.

Uso comercial

En 1842, John Gorrie creó un sistema capaz de refrigerar agua para producir hielo. Aunque fue un fracaso comercial, inspiró a científicos e inventores de todo el mundo. Ferdinand Carre de Francia fue uno de los inspirados y creó un sistema de producción de hielo que era más simple y más pequeño que el de Gorrie. Durante la Guerra Civil, ciudades como Nueva Orleans ya no pudieron obtener hielo de Nueva Inglaterra a través del comercio de hielo costero. El sistema de refrigeración de Carre se convirtió en la solución a los problemas de hielo de Nueva Orleans y en 1865 la ciudad tenía tres de las máquinas de Carre. En 1867, en San Antonio, Texas, un inmigrante francés llamado Andrew Muhl construyó una máquina de hacer hielo para ayudar a dar servicio a la industria de la carne en expansión antes de trasladarla a Waco en 1871. En 1873, la patente de esta máquina fue contratada por Columbus Iron Works, una empresa adquirida por WC Bradley Co., que pasó a producir las primeras fábricas de hielo comerciales en los EE. UU.

En la década de 1870, las cervecerías se habían convertido en los mayores usuarios de hielo recolectado. Aunque la industria de la recolección de hielo había crecido enormemente a principios del siglo XX, la contaminación y las aguas residuales habían comenzado a infiltrarse en el hielo natural, convirtiéndolo en un problema en los suburbios metropolitanos. Finalmente, las cervecerías comenzaron a quejarse de hielo contaminado. La preocupación pública por la pureza del agua, a partir de la cual se formó el hielo, comenzó a aumentar a principios del siglo XX con el surgimiento de la teoría de los gérmenes. Numerosos medios de comunicación publicaron artículos que relacionan enfermedades como la fiebre tifoidea con el consumo natural de hielo. Esto hizo que la recolección de hielo se volviera ilegal en ciertas áreas del país. Todos estos escenarios aumentaron las demandas de refrigeración moderna y hielo fabricado. Las máquinas productoras de hielo como las de Carre y Muhl fueron consideradas como un medio de producir hielo para satisfacer las necesidades de los tenderos, agricultores y transportistas de alimentos.

Los vagones de ferrocarril refrigerados se introdujeron en los EE. UU. En la década de 1840 para el transporte a corto plazo de productos lácteos, pero estos usaban hielo recolectado para mantener una temperatura fresca.

La nueva tecnología de refrigeración se encontró por primera vez con un uso industrial generalizado como un medio para congelar los suministros de carne para su transporte por mar en barcos refrigerados desde los dominios británicos y otros países a las islas británicas . El primero en lograr este gran avance fue un empresario que había emigrado a Nueva Zelanda . William Soltau Davidson pensó que el aumento de la población y la demanda de carne de Gran Bretaña podrían mitigar la caída en los mercados mundiales de la lana que estaba afectando fuertemente a Nueva Zelanda. Después de una extensa investigación, encargó al Dunedin que se reacondicionara con una unidad de refrigeración por compresión para el envío de carne en 1881. El 15 de febrero de 1882, el Dunedin zarpó hacia Londres con lo que sería el primer viaje de envío refrigerado comercialmente exitoso, y la fundación de la industria cárnica refrigerada .

The Times comentaba "Hoy tenemos que registrar tal triunfo sobre las dificultades físicas, como hubiera sido increíble, incluso inimaginable, hace muy pocos días ...". El Marlborough, barco hermano del Dunedin , se convirtió inmediatamente y se unió al comercio al año siguiente, junto con elbarco rival Mataurua de New Zealand Shipping Company , mientras que el vapor alemán Marsala comenzó a transportar cordero congelado de Nueva Zelanda en diciembre de 1882. En cinco años, Se enviaron 172 envíos de carne congelada desde Nueva Zelandia al Reino Unido, de los cuales solo 9 tenían cantidades importantes de carne rechazada. El transporte marítimo refrigerado también condujo a un auge más amplio de la carne y los lácteos en Australasia y América del Sur. J & E Hall de Dartford , Inglaterra equipó el 'SS Selembria' con un sistema de compresión de vapor para traer 30.000 canales de cordero de las Islas Malvinas en 1886. En los años siguientes, la industria se expandió rápidamente a Australia, Argentina y Estados Unidos.

En la década de 1890, la refrigeración jugó un papel vital en la distribución de alimentos. La industria del envasado de carne se basó en gran medida en el hielo natural en la década de 1880 y continuó dependiendo del hielo fabricado a medida que esas tecnologías estuvieron disponibles. Para 1900, las empacadoras de carne de Chicago habían adoptado la refrigeración comercial con ciclo de amoníaco. En 1914, casi todos los lugares utilizaban refrigeración artificial. Los principales empacadores de carne , Armour, Swift y Wilson, habían comprado las unidades más caras que instalaron en vagones de tren y en sucursales e instalaciones de almacenamiento en las áreas de distribución más remotas.

A mediados del siglo XX, se diseñaron unidades de refrigeración para su instalación en camiones o camiones. Los vehículos refrigerados se utilizan para transportar productos perecederos, como alimentos congelados, frutas y verduras y productos químicos sensibles a la temperatura. La mayoría de los frigoríficos modernos mantienen la temperatura entre –40 y –20 ° C y tienen una carga útil máxima de alrededor de 24.000 kg de peso bruto (en Europa).

Aunque la refrigeración comercial progresó rápidamente, tenía limitaciones que le impedían trasladarse al hogar. Primero, la mayoría de los refrigeradores eran demasiado grandes. Algunas de las unidades comerciales que se utilizaban en 1910 pesaban entre quinientas y doscientas toneladas. En segundo lugar, los refrigeradores comerciales eran costosos de producir, comprar y mantener. Por último, estos refrigeradores no eran seguros. No era raro que los refrigeradores comerciales se incendiaran, explotaran o liberaran gases tóxicos. La refrigeración no se convirtió en una tecnología doméstica hasta que se superaron estos tres desafíos.

Uso doméstico y de consumo

A principios del siglo XIX, los consumidores conservaban sus alimentos almacenando los alimentos y el hielo comprados en los recolectores de hielo en neveras. En 1803, Thomas Moore patentó una tina de almacenamiento de mantequilla revestida de metal que se convirtió en el prototipo de la mayoría de las neveras. Estas neveras se utilizaron hasta casi 1910 y la tecnología no progresó. De hecho, los consumidores que usaron la nevera en 1910 enfrentaron el mismo desafío de una nevera mohosa y apestosa que tenían los consumidores a principios del siglo XIX.

General Electric (GE) fue una de las primeras empresas en superar estos desafíos. En 1911, GE lanzó una unidad de refrigeración doméstica que funcionaba con gas. El uso de gas eliminó la necesidad de un motor de compresor eléctrico y disminuyó el tamaño del refrigerador. Sin embargo, las empresas eléctricas que eran clientes de GE no se beneficiaron de una unidad de gas. Por lo tanto, GE invirtió en el desarrollo de un modelo eléctrico. En 1927, GE lanzó Monitor Top, el primer refrigerador que funciona con electricidad.

En 1930, Frigidaire, uno de los principales competidores de GE, sintetizó Freon . Con la invención de refrigerantes sintéticos basados ​​principalmente en un químico clorofluorocarbonado (CFC), fueron posibles refrigeradores más seguros para uso doméstico y de consumo. El freón condujo al desarrollo de refrigeradores más pequeños, livianos y baratos. El precio promedio de un refrigerador bajó de $ 275 a $ 154 con la síntesis de Freon. Este precio más bajo permitió que la propiedad de refrigeradores en los hogares estadounidenses superara el 50%. Freon es una marca comercial de DuPont Corporation y se refiere a estos CFC y, posteriormente, a los refrigerantes hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC), desarrollados a finales de la década de 1920. En ese momento, se consideró que estos refrigerantes eran menos dañinos que los refrigerantes de uso común de la época, incluidos el formiato de metilo, el amoníaco, el cloruro de metilo y el dióxido de azufre. La intención era proporcionar equipos de refrigeración para uso doméstico sin peligro. Estos refrigerantes con CFC respondieron a esa necesidad. Sin embargo, en la década de 1970, se descubrió que los compuestos reaccionaban con el ozono atmosférico, una importante protección contra la radiación solar ultravioleta, y su uso como refrigerante en todo el mundo se redujo en el Protocolo de Montreal de 1987.

Impacto en los patrones de asentamiento

En el siglo pasado, la refrigeración permitió que surgieran nuevos patrones de asentamiento. Esta nueva tecnología ha permitido asentar nuevas áreas que no se encuentran en un canal de transporte natural como un río, un sendero de valle o un puerto que de otra manera no se habrían asentado. La refrigeración ha brindado oportunidades a los primeros colonos para expandirse hacia el oeste y hacia áreas rurales que estaban despobladas. Estos nuevos colonos con suelo rico y sin explotar vieron la oportunidad de obtener ganancias enviando productos crudos a las ciudades y estados del este. En el siglo XX, la refrigeración ha hecho posibles las “ciudades galácticas” como Dallas, Phoenix y Los Ángeles.

Vagones de ferrocarril refrigerados

El vagón refrigerado ( furgoneta refrigerada o vagón frigorífico ), junto con la densa red ferroviaria, se convirtió en un vínculo sumamente importante entre el mercado y la granja, lo que permitió una oportunidad nacional en lugar de solo regional. Antes de la invención del vagón refrigerado, era imposible enviar productos alimenticios perecederos a largas distancias. La industria de envasado de carne de vacuno hizo el primer impulso de demanda de vehículos frigoríficos. Las compañías ferroviarias tardaron en adoptar este nuevo invento debido a sus fuertes inversiones en vagones de ganado, corrales de ganado y corrales de engorde. Los vagones de refrigeración también eran complejos y costosos en comparación con otros vagones de ferrocarril, lo que también ralentizó la adopción del vagón refrigerado. Después de la lenta adopción del vagón refrigerado, la industria empacadora de carne de res dominó el negocio de los vagones refrigerados con su capacidad para controlar las plantas de hielo y el establecimiento de tarifas de congelación. El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos calculó que en 1916 más del sesenta y nueve por ciento del ganado sacrificado en el país provenía de plantas involucradas en el comercio interestatal. Las mismas empresas que también estaban involucradas en el comercio de carne luego implementaron el transporte refrigerado para incluir verduras y frutas. Las empresas empacadoras de carne tenían gran parte de la maquinaria cara, como carros refrigerados, e instalaciones de almacenamiento en frío que les permitían distribuir eficazmente todo tipo de productos perecederos. Durante la Primera Guerra Mundial, la Administración de los Estados Unidos estableció un grupo nacional de vehículos refrigerados para hacer frente al problema de los coches inactivos, que más tarde continuó después de la guerra. El problema de los coches inactivos era el problema de los coches frigoríficos que se sentaban inútilmente entre las cosechas estacionales. Esto significaba que los coches muy caros permanecían en los patios de ferrocarril durante una buena parte del año sin generar ingresos para el propietario del vehículo. El coche compartido era un sistema en el que los coches se distribuían por zonas a medida que maduraban los cultivos, lo que garantizaba un uso máximo de los coches. Los vagones refrigerados se trasladaron hacia el este desde viñedos, huertos, campos y jardines en los estados occidentales para satisfacer el mercado consumidor de las Américas en el este. El coche refrigerado hizo posible transportar cultivos perecederos cientos e incluso miles de kilómetros o millas. El efecto más notable que dio el automóvil fue una especialización regional de verduras y frutas. El vagón frigorífico se utilizó ampliamente para el transporte de mercancías perecederas hasta la década de 1950. En la década de 1960, el sistema de carreteras interestatales de la nación estaba suficientemente completo, lo que permitió que los camiones transportaran la mayoría de las cargas de alimentos perecederos y expulsaran el antiguo sistema de vagones refrigerados.

Expansión hacia el oeste y áreas rurales.

El uso generalizado de la refrigeración permitió que se abrieran una gran cantidad de nuevas oportunidades agrícolas en los Estados Unidos. Surgieron nuevos mercados en todo Estados Unidos en áreas que antes estaban deshabitadas y muy alejadas de las áreas densamente pobladas. Se presentó una nueva oportunidad agrícola en áreas que se consideraban rurales, como los estados del sur y del oeste. Los envíos a gran escala desde el sur y desde California se realizaron casi al mismo tiempo, aunque se utilizó hielo natural de las Sierras en California en lugar de hielo fabricado en el sur. La refrigeración permitió que muchas áreas se especializaran en el cultivo de frutas específicas. California se especializó en varias frutas, uvas, melocotones, peras, ciruelas y manzanas, mientras que Georgia se hizo famosa específicamente por sus melocotones. En California, la aceptación de los vagones refrigerados llevó a un aumento de la carga de vagones de 4.500 vagones en 1895 a entre 8.000 y 10.000 vagones en 1905. Los estados del Golfo, Arkansas, Missouri y Tennessee entraron en la producción de fresas a gran escala mientras Mississippi se convirtió en el centro de la industria del tomate . Nuevo México, Colorado, Arizona y Nevada cultivaron melones. Sin refrigeración esto no habría sido posible. Para 1917, las áreas de frutas y verduras bien establecidas que estaban cerca de los mercados del este sintieron la presión de la competencia de estos centros especializados distantes. La refrigeración no se limitaba a la carne, las frutas y las verduras, sino que también abarcaba los productos lácteos y las granjas lecheras. A principios del siglo XX, las grandes ciudades obtenían su suministro de lácteos de granjas de hasta 640 kilómetros (400 millas). Los productos lácteos no se transportaban tan fácilmente a grandes distancias como las frutas y verduras debido a su mayor perecibilidad. La refrigeración hizo posible la producción en el oeste, lejos de los mercados del este, hasta el punto de que los productores de leche podían pagar el costo de transporte y seguir vendiendo menos que sus competidores del este. La refrigeración y el ferrocarril refrigerado dieron oportunidad a áreas con suelo rico lejos de los canales de transporte naturales, como un río, un sendero de valle o puertos.

Ascenso de la ciudad galáctica

"Ciudad del borde" fue un término acuñado por Joel Garreau , mientras que el término "ciudad galáctica" fue acuñado por Lewis Mumford . Estos términos se refieren a una concentración de negocios, compras y entretenimiento fuera de un centro tradicional o distrito comercial central en lo que anteriormente había sido un área residencial o rural. Hubo varios factores que contribuyeron al crecimiento de estas ciudades como Los Ángeles, Las Vegas, Houston y Phoenix. Los factores que contribuyeron a estas grandes ciudades incluyen automóviles confiables, sistemas de carreteras, refrigeración y aumentos en la producción agrícola. Las grandes ciudades como las mencionadas anteriormente no han sido infrecuentes en la historia, pero lo que separa a estas ciudades del resto es que estas ciudades no se encuentran a lo largo de algún canal natural de transporte, o en algún cruce de dos o más canales como un sendero, un puerto. , montaña, río o valle. Estas grandes ciudades se han desarrollado en áreas que hace solo unos pocos cientos de años hubieran sido inhabitables. Sin una forma rentable de enfriar el aire y transportar agua y alimentos desde grandes distancias, estas grandes ciudades nunca se habrían desarrollado. El rápido crecimiento de estas ciudades se vio influenciado por la refrigeración y un aumento de la productividad agrícola, lo que permitió que las granjas más distantes alimentaran eficazmente a la población.

Impacto en la agricultura y la producción de alimentos

El papel de la agricultura en los países desarrollados ha cambiado drásticamente en el último siglo debido a muchos factores, incluida la refrigeración. Las estadísticas del censo de 2007 brindan información sobre la gran concentración de ventas agrícolas provenientes de una pequeña porción de las granjas existentes en los Estados Unidos en la actualidad. Este es un resultado parcial del mercado creado para el comercio de carne congelada por el primer envío exitoso de canales de ovejas congeladas provenientes de Nueva Zelanda en la década de 1880. A medida que el mercado siguió creciendo, comenzaron a aplicarse las regulaciones sobre el procesamiento y la calidad de los alimentos. Finalmente, se introdujo la electricidad en los hogares rurales de los Estados Unidos, lo que permitió que la tecnología de refrigeración siguiera expandiéndose en la granja, aumentando la producción por persona. Hoy en día, el uso de refrigeración en la granja reduce los niveles de humedad, evita el deterioro debido al crecimiento bacteriano y ayuda a la conservación.

Demografía

La introducción de la refrigeración y la evolución de tecnologías adicionales cambiaron drásticamente la agricultura en los Estados Unidos. Durante el comienzo del siglo XX, la agricultura era una ocupación y estilo de vida común para los ciudadanos de los Estados Unidos, ya que la mayoría de los agricultores vivían en sus fincas. En 1935, había 6,8 millones de granjas en los Estados Unidos y una población de 127 millones. Sin embargo, mientras que la población de Estados Unidos ha seguido aumentando, los ciudadanos que se dedican a la agricultura continúan disminuyendo. Según el censo de los EE. UU. De 2007, menos del uno por ciento de una población de 310 millones de personas afirma que la agricultura es una ocupación en la actualidad. Sin embargo, el aumento de la población ha llevado a una creciente demanda de productos agrícolas, que se satisface a través de una mayor variedad de cultivos, fertilizantes, pesticidas y tecnología mejorada. La tecnología mejorada ha disminuido el riesgo y el tiempo involucrado en la gestión agrícola y permite que las granjas más grandes aumenten su producción por persona para satisfacer la demanda de la sociedad.

Envasado y comercio de carnes

Antes de 1882, la Isla Sur de Nueva Zelanda había estado experimentando con la siembra de pasto y el cruzamiento de ovejas, lo que inmediatamente dio a sus agricultores un potencial económico en la exportación de carne. En 1882, se envió el primer envío exitoso de cadáveres de ovejas desde Port Chalmers en Dunedin , Nueva Zelanda, a Londres . En la década de 1890, el comercio de carne congelada se volvió cada vez más rentable en Nueva Zelanda, especialmente en Canterbury , de donde provenían el 50% de los cadáveres de ovejas exportados en 1900. No pasó mucho tiempo antes de que la carne de Canterbury fuera conocida por su alta calidad, lo que generó una demanda. para la carne de Nueva Zelanda en todo el mundo. Para satisfacer esta nueva demanda, los agricultores mejoraron su pienso para que las ovejas pudieran estar listas para el matadero en solo siete meses. Este nuevo método de transporte provocó un auge económico en Nueva Zelanda a mediados de la década de 1890.

En los Estados Unidos, la Ley de Inspección de la Carne de 1891 se implementó en los Estados Unidos porque los carniceros locales sintieron que el sistema de vagones refrigerados no era saludable. Cuando el envasado de carne comenzó a despegar, los consumidores se pusieron nerviosos por la calidad de la carne para el consumo. La novela de Upton Sinclair de 1906, La jungla, atrajo la atención negativa a la industria del empaque de carne, al sacar a la luz las condiciones de trabajo insalubres y el procesamiento de animales enfermos. El libro llamó la atención del presidente Theodore Roosevelt , y la Ley de Inspección de Carne de 1906 se implementó como una enmienda a la Ley de Inspección de Carne de 1891. Esta nueva ley se centró en la calidad de la carne y el medio ambiente en el que se procesa.

Electricidad en zonas rurales

A principios de la década de 1930, el 90 por ciento de la población urbana de los Estados Unidos tenía energía eléctrica , en comparación con solo el 10 por ciento de los hogares rurales. En ese momento, las compañías eléctricas no creían que extender la energía a las áreas rurales ( electrificación rural ) produciría suficientes ganancias para que valiera la pena. Sin embargo, en medio de la Gran Depresión , el presidente Franklin D. Roosevelt se dio cuenta de que las áreas rurales continuarían a la zaga de las áreas urbanas tanto en pobreza como en producción si no estuvieran conectadas eléctricamente. El 11 de mayo de 1935, el presidente firmó una orden ejecutiva denominada Administración de Electrificación Rural, también conocida como REA. La agencia otorgó préstamos para financiar la infraestructura eléctrica en las zonas rurales. En tan solo unos años, 300.000 personas de las zonas rurales de Estados Unidos habían recibido energía en sus hogares.

Si bien la electricidad mejoró drásticamente las condiciones de trabajo en las granjas, también tuvo un gran impacto en la seguridad de la producción de alimentos. Los sistemas de refrigeración se introdujeron en los procesos agrícolas y de distribución de alimentos , lo que ayudó en la conservación de los alimentos y mantuvo seguros los suministros de alimentos . La refrigeración también permitió la producción de productos perecederos, que luego podrían enviarse a todo Estados Unidos. Como resultado, los agricultores estadounidenses se convirtieron rápidamente en los más productivos del mundo y surgieron sistemas alimentarios completamente nuevos .

Uso agrícola

Con el fin de reducir los niveles de humedad y el deterioro debido al crecimiento bacteriano, la refrigeración se utiliza para el procesamiento de carne, productos agrícolas y lácteos en la agricultura hoy en día. Los sistemas de refrigeración se utilizan más pesados ​​en los meses más cálidos para los productos agrícolas, que deben enfriarse lo antes posible para cumplir con los estándares de calidad y aumentar la vida útil. Mientras tanto, las granjas lecheras refrigeran la leche durante todo el año para evitar que se eche a perder.

Efectos sobre el estilo de vida y la dieta

A fines del siglo XIX y principios del siglo XX, a excepción de los alimentos básicos (azúcar, arroz y frijoles) que no necesitaban refrigeración, los alimentos disponibles se vieron fuertemente afectados por las estaciones y lo que se podía cultivar localmente. La refrigeración ha eliminado estas limitaciones. La refrigeración jugó un papel importante en la viabilidad y luego en la popularidad del supermercado moderno. Las frutas y verduras fuera de temporada, o cultivadas en lugares distantes, ahora están disponibles a precios relativamente bajos. Los refrigeradores han dado lugar a un gran aumento de la carne y los productos lácteos como parte de las ventas generales de los supermercados. Además de cambiar los bienes comprados en el mercado, la capacidad de almacenar estos alimentos durante períodos prolongados de tiempo ha llevado a un aumento del tiempo libre. Antes de la llegada del refrigerador doméstico, la gente tenía que comprar a diario los suministros necesarios para sus comidas.

Impacto en la nutrición

La introducción de la refrigeración permitió el manejo y almacenamiento higiénico de los productos perecederos y, como tal, promovió el crecimiento de la producción, el consumo y la disponibilidad de nutrientes. El cambio en nuestro método de conservación de alimentos nos alejó de las sales a un nivel de sodio más manejable. La capacidad de mover y almacenar productos perecederos como la carne y los lácteos llevó a un aumento del 1,7% en el consumo de productos lácteos y la ingesta total de proteínas en un 1,25% anual en los EE. UU. Después de la década de 1890.

La gente no solo consumía estos productos perecederos porque les resultaba más fácil almacenarlos, sino porque las innovaciones en el transporte y almacenamiento refrigerados conducían a menos deterioro y desperdicio, lo que hacía bajar los precios de estos productos. La refrigeración representa al menos el 5,1% del aumento de la estatura adulta (en los EE. UU.) A través de una mejor nutrición, y cuando los efectos indirectos asociados con las mejoras en la calidad de los nutrientes y la reducción de las enfermedades se tienen en cuenta además, el impacto general se vuelve considerablemente más grande. Estudios recientes también han demostrado una relación negativa entre el número de refrigeradores en un hogar y la tasa de mortalidad por cáncer gástrico.

Aplicaciones actuales de la refrigeración

Probablemente, las aplicaciones actuales de refrigeración más ampliamente utilizadas son para el aire acondicionado de hogares privados y edificios públicos, y la refrigeración de productos alimenticios en hogares, restaurantes y grandes almacenes de almacenamiento. El uso de refrigeradores y cámaras frigoríficas y congeladores en cocinas, fábricas y almacenes para almacenar y procesar frutas y verduras ha permitido incorporar ensaladas frescas a la dieta moderna durante todo el año y almacenar pescados y carnes de forma segura durante largos períodos. El rango de temperatura óptimo para el almacenamiento de alimentos perecederos es de 3 a 5 ° C (37 a 41 ° F).

En el comercio y la fabricación, la refrigeración tiene muchos usos. La refrigeración se utiliza para licuar gases: oxígeno , nitrógeno , propano y metano , por ejemplo. En la purificación de aire comprimido, se utiliza para condensar el vapor de agua del aire comprimido para reducir su contenido de humedad. En refinerías de petróleo , plantas químicas y plantas petroquímicas , la refrigeración se usa para mantener ciertos procesos a las bajas temperaturas necesarias (por ejemplo, en la alquilación de butenos y butano para producir un componente de gasolina de alto octanaje ). Los trabajadores del metal utilizan la refrigeración para templar el acero y los cubiertos. Cuando se transportan productos alimenticios sensibles a la temperatura y otros materiales en camiones, trenes, aviones y embarcaciones marítimas, la refrigeración es una necesidad.

Los productos lácteos necesitan refrigeración constantemente, y solo en las últimas décadas se descubrió que los huevos debían refrigerarse durante el envío en lugar de esperar a ser refrigerados después de su llegada a la tienda de comestibles. Las carnes, aves y pescados deben mantenerse en ambientes con clima controlado antes de ser vendidos. La refrigeración también ayuda a mantener las frutas y verduras comestibles por más tiempo.

Uno de los usos más influyentes de la refrigeración fue el desarrollo de la industria del sushi / sashimi en Japón. Antes del descubrimiento de la refrigeración, muchos conocedores de sushi estaban en riesgo de contraer enfermedades. Los peligros del sashimi no refrigerado no salieron a la luz durante décadas debido a la falta de investigación y distribución de atención médica en las zonas rurales de Japón. Alrededor de mediados de siglo, la corporación Zojirushi , con sede en Kioto, hizo avances en el diseño de refrigeradores, haciendo que los refrigeradores fueran más baratos y más accesibles para los propietarios de restaurantes y el público en general.

Métodos de refrigeración

Los métodos de refrigeración se pueden clasificar en no cíclicos , cíclicos , termoeléctricos y magnéticos .

Refrigeración no cíclica

Este método de refrigeración enfría un área contenida derritiendo hielo o sublimando hielo seco . Quizás el ejemplo más simple de esto es una hielera portátil, donde se colocan artículos en ella, luego se vierte hielo por encima. El hielo regular puede mantener temperaturas cercanas, pero no por debajo del punto de congelación, a menos que se use sal para enfriar más el hielo (como en una heladera tradicional ). El hielo seco puede llevar la temperatura de manera confiable muy por debajo del punto de congelación del agua.

Refrigeración cíclica

Consiste en un ciclo de refrigeración, donde se extrae calor de un espacio o fuente de baja temperatura y se rechaza a un sumidero de alta temperatura con la ayuda de trabajo externo, y su inverso, el ciclo de potencia termodinámico . En el ciclo de potencia, el calor se suministra desde una fuente de alta temperatura al motor, parte del calor se utiliza para producir trabajo y el resto se rechaza a un disipador de baja temperatura. Esto satisface la segunda ley de la termodinámica .

Un ciclo de refrigeración describe los cambios que tienen lugar en el refrigerante, ya que absorbe y rechaza alternativamente el calor a medida que circula por un refrigerador . También se aplica al trabajo de calefacción, ventilación y aire acondicionado HVACR , cuando se describe el "proceso" del flujo de refrigerante a través de una unidad HVACR, ya sea un sistema empaquetado o dividido.

El calor fluye naturalmente de caliente a frío. El trabajo se aplica para enfriar un espacio habitable o un volumen de almacenamiento bombeando calor desde una fuente de calor de temperatura más baja a un disipador de calor de temperatura más alta. El aislamiento se utiliza para reducir el trabajo y la energía necesarios para lograr y mantener una temperatura más baja en el espacio refrigerado. El principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración fue descrito matemáticamente por Sadi Carnot en 1824 como un motor térmico .

Los tipos más comunes de sistemas de refrigeración utilizan el ciclo de refrigeración por compresión de vapor Rankine inverso , aunque las bombas de calor de absorción se utilizan en una minoría de aplicaciones.

La refrigeración cíclica se puede clasificar como:

1. Ciclo de vapor y
2. Ciclo de gas

La refrigeración por ciclo de vapor se puede clasificar además como:

1. Refrigeración por compresión de vapor
2. Refrigeración por sorción
   1. Refrigeración por absorción de vapor
   2. Refrigeración por adsorción

Ciclo de vapor-compresión

El ciclo de compresión de vapor se utiliza en la mayoría de los refrigeradores domésticos, así como en muchos grandes sistemas de refrigeración comerciales e industriales . La Figura 1 proporciona un diagrama esquemático de los componentes de un sistema típico de refrigeración por compresión de vapor.

La termodinámica del ciclo se puede analizar en un diagrama como se muestra en la Figura 2. En este ciclo, un refrigerante en circulación, como el freón, ingresa al compresor como vapor. Desde el punto 1 al punto 2, el vapor se comprime a entropía constante y sale del compresor como vapor a una temperatura más alta, pero aún por debajo de la presión de vapor a esa temperatura. Desde el punto 2 al punto 3 y luego al punto 4, el vapor viaja a través del condensador que enfría el vapor hasta que comienza a condensarse, y luego lo condensa en un líquido al eliminar el calor adicional a presión y temperatura constantes. Entre los puntos 4 y 5, el refrigerante líquido pasa a través de la válvula de expansión (también llamada válvula de mariposa) donde su presión disminuye abruptamente, provocando la evaporación instantánea y la autorefrigeración de, típicamente, menos de la mitad del líquido.

Eso da como resultado una mezcla de líquido y vapor a una temperatura y presión más bajas, como se muestra en el punto 5. La mezcla de líquido y vapor frío luego viaja a través de la bobina o los tubos del evaporador y se vaporiza completamente al enfriar el aire caliente (del espacio que se está refrigerando ) siendo soplado por un ventilador a través del serpentín o los tubos del evaporador. El vapor refrigerante resultante regresa a la entrada del compresor en el punto 1 para completar el ciclo termodinámico.

La discusión anterior se basa en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor y no tiene en cuenta los efectos del mundo real como la caída de presión por fricción en el sistema, una ligera irreversibilidad termodinámica durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento de un gas no ideal . Si alguna. Los refrigeradores de compresión de vapor pueden disponerse en dos etapas en sistemas de refrigeración en cascada , con la segunda etapa enfriando el condensador de la primera etapa. Esto se puede utilizar para lograr temperaturas muy bajas.

Hay más información disponible sobre el diseño y el rendimiento de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor en el clásico Manual de ingenieros químicos de Perry .

Ciclo de sorción

Ciclo de absorción

En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor utilizando sistemas de agua-amoniaco o LiBr- agua fue popular y ampliamente utilizado. Después del desarrollo del ciclo de compresión de vapor, el ciclo de absorción de vapor perdió gran parte de su importancia debido a su bajo coeficiente de rendimiento (aproximadamente una quinta parte del ciclo de compresión de vapor). Hoy en día, el ciclo de absorción de vapor se utiliza principalmente donde se dispone de combustible para calefacción pero no de electricidad, como en los vehículos recreativos que transportan gas LP . También se utiliza en entornos industriales donde el calor residual abundante supera su ineficiencia.

El ciclo de absorción es similar al ciclo de compresión, excepto por el método de elevar la presión del vapor refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor es reemplazado por un absorbedor que disuelve el refrigerante en un líquido adecuado, una bomba de líquido que eleva la presión y un generador que, al agregar calor, expulsa el vapor refrigerante del líquido a alta presión. La bomba de líquido necesita algo de trabajo pero, para una determinada cantidad de refrigerante, es mucho menor que el que necesita el compresor en el ciclo de compresión de vapor. En un frigorífico de absorción, se utiliza una combinación adecuada de refrigerante y absorbente. Las combinaciones más comunes son amoníaco (refrigerante) con agua (absorbente) y agua (refrigerante) con bromuro de litio (absorbente).

Ciclo de adsorción

La principal diferencia con el ciclo de absorción es que en el ciclo de adsorción, el refrigerante (adsorbato) podría ser amoníaco, agua, metanol , etc., mientras que el adsorbente es un sólido, como gel de silicona , carbón activado o zeolita , a diferencia de lo que ocurre en el ciclo de absorción donde el absorbente es líquido.

La razón por la que la tecnología de refrigeración por adsorción ha sido ampliamente investigada en los últimos 30 años radica en que el funcionamiento de un sistema de refrigeración por adsorción suele ser silencioso, no corrosivo y respetuoso con el medio ambiente.

Ciclo de gas

Cuando el fluido de trabajo es un gas que se comprime y expande pero no cambia de fase, el ciclo de refrigeración se denomina ciclo de gas . El aire suele ser este fluido de trabajo. Como no se pretende la condensación y la evaporación en un ciclo de gas, los componentes correspondientes al condensador y al evaporador en un ciclo de compresión de vapor son los intercambiadores de calor de gas a gas caliente y frío en los ciclos de gas. Por ejemplo, un enfriador de gas enfriado por aire enfría el gas de refrigeración CO2 utilizando aire dentro de un sistema cerrado.

El ciclo del gas es menos eficiente que el ciclo de compresión de vapor porque el ciclo del gas funciona en el ciclo Brayton inverso en lugar del ciclo Rankine inverso . Como tal, el fluido de trabajo no recibe ni rechaza calor a temperatura constante. En el ciclo del gas, el efecto de refrigeración es igual al producto del calor específico del gas y el aumento de temperatura del gas en el lado de baja temperatura. Por lo tanto, para la misma carga de enfriamiento, un ciclo de refrigeración de gas necesita un gran caudal másico y es voluminoso.

Debido a su menor eficiencia y mayor volumen, los enfriadores de ciclo de aire no se utilizan a menudo hoy en día en dispositivos de enfriamiento terrestres. Sin embargo, la máquina de ciclo de aire es muy común en aviones a reacción propulsados ​​por turbinas de gas como unidades de refrigeración y ventilación, porque el aire comprimido está disponible fácilmente en las secciones del compresor de los motores. Estas unidades también sirven para presurizar la aeronave.

Refrigeración termoeléctrica

El enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier para crear un flujo de calor entre la unión de dos tipos de material. Este efecto se usa comúnmente en refrigeradores portátiles y de campamento y para enfriar componentes electrónicos e instrumentos pequeños. Los refrigeradores Peltier se utilizan a menudo donde un refrigerador de ciclo de compresión de vapor tradicional no sería práctico o ocuparía demasiado espacio, y en sensores de imagen refrigerados como una forma fácil, compacta y liviana, aunque ineficiente, de lograr temperaturas muy bajas, utilizando 2 o más enfriadores peltier de etapa dispuestos en una configuración de refrigeración en cascada , lo que significa que 2 o más elementos peltier se apilan uno encima del otro, siendo cada etapa más grande que la anterior, para extraer más calor y calor residual generado por las etapas anteriores . El enfriamiento Peltier tiene un COP (eficiencia) bajo en comparación con el del ciclo de compresión de vapor, por lo que emite más calor residual (calor generado por el elemento Peltier o mecanismo de enfriamiento) y consume más energía para una capacidad de enfriamiento determinada.

Refrigeración magnética

La refrigeración magnética, o desmagnetización adiabática , es una tecnología de enfriamiento basada en el efecto magnetocalórico, una propiedad intrínseca de los sólidos magnéticos. El refrigerante es a menudo una sal paramagnética , como el nitrato de cerio y magnesio . Los dipolos magnéticos activos en este caso son los de las capas de electrones de los átomos paramagnéticos.

Se aplica un fuerte campo magnético al refrigerante, lo que obliga a sus diversos dipolos magnéticos a alinearse y coloca estos grados de libertad del refrigerante en un estado de entropía reducida . Luego, un disipador de calor absorbe el calor liberado por el refrigerante debido a su pérdida de entropía. A continuación, se interrumpe el contacto térmico con el disipador de calor para aislar el sistema y apagar el campo magnético. Esto aumenta la capacidad calorífica del refrigerante, disminuyendo así su temperatura por debajo de la temperatura del disipador de calor.

Debido a que pocos materiales exhiben las propiedades necesarias a temperatura ambiente, las aplicaciones hasta ahora se han limitado a la criogenia y la investigación.

Otros metodos

Otros métodos de refrigeración incluyen la máquina de ciclo de aire utilizada en aviones; el tubo de vórtice utilizado para enfriamiento puntual, cuando hay aire comprimido disponible; y refrigeración termoacústica usando ondas sonoras en un gas presurizado para impulsar la transferencia de calor y el intercambio de calor; enfriamiento por chorro de vapor popular a principios de la década de 1930 para el aire acondicionado de grandes edificios; Enfriamiento termoelástico usando una aleación de metal inteligente que se estira y relaja. Muchos motores térmicos de ciclo Stirling pueden funcionar al revés para actuar como un refrigerador y, por lo tanto, estos motores tienen un uso específico en criogenia . Además existen otros tipos de refrigeradores criogénicos como refrigeradores Gifford-McMahon, refrigeradores Joule-Thomson, refrigeradores de tubo de impulsos y, para temperaturas entre 2 mK y 500 mK, refrigeradores de dilución .

Refrigeración elastocalórica

Otra técnica potencial de refrigeración de estado sólido y un área de estudio relativamente nueva proviene de una propiedad especial de los materiales superelásticos . Estos materiales sufren un cambio de temperatura cuando experimentan una tensión mecánica aplicada (llamado efecto elastocalórico). Dado que los materiales superelásticos se deforman de forma reversible a altas deformaciones , el material experimenta una región elástica aplanada en su curva de tensión-deformación causada por una transformación de fase resultante de una fase cristalina austenítica a una martensítica .

Cuando un material superelástico experimenta una tensión en la fase austenítica, sufre una transformación de fase exotérmica a la fase martensítica, lo que hace que el material se caliente. La eliminación de la tensión revierte el proceso, restaura el material a su fase austenítica y absorbe el calor de los alrededores enfriando el material.

La parte más atractiva de esta investigación es cuán potencialmente eficiente desde el punto de vista energético y respetuosa con el medio ambiente es esta tecnología de refrigeración. Los diferentes materiales utilizados, comúnmente aleaciones con memoria de forma , proporcionan una fuente no tóxica de refrigeración libre de emisiones. Los materiales estudiados más comúnmente son las aleaciones con memoria de forma, como el nitinol y Cu-Zn-Al. El nitinol es una de las aleaciones más prometedoras con una salida de calor de aproximadamente 66 J / cm ³ y un cambio de temperatura de aproximadamente 16-20 K. Debido a la dificultad de fabricar algunas de las aleaciones con memoria de forma, se han estudiado materiales alternativos como el caucho natural . Aunque el caucho puede no emitir tanto calor por volumen (12 J / cm ³ ) como las aleaciones con memoria de forma, todavía genera un cambio de temperatura comparable de aproximadamente 12 K y funciona en un rango de temperatura adecuado, bajo estrés y bajo costo. .

Sin embargo, el principal desafío proviene de las posibles pérdidas de energía en forma de histéresis , a menudo asociadas con este proceso. Dado que la mayoría de estas pérdidas provienen de incompatibilidades entre las dos fases, es necesario un ajuste adecuado de la aleación para reducir las pérdidas y aumentar la reversibilidad y la eficiencia . Equilibrar la tensión de transformación del material con las pérdidas de energía permite que se produzca un gran efecto elastocalórico y potencialmente una nueva alternativa para la refrigeración.

Puerta del frigorífico

El método Fridge Gate es una aplicación teórica del uso de una sola puerta lógica para hacer funcionar un refrigerador de la manera más eficiente en energía posible sin violar las leyes de la termodinámica. Opera sobre el hecho de que hay dos estados de energía en los que puede existir una partícula: el estado fundamental y el estado excitado. El estado excitado lleva un poco más de energía que el estado fundamental, lo suficientemente pequeño como para que la transición ocurra con alta probabilidad. Hay tres componentes o tipos de partículas asociados con la puerta del frigorífico. El primero está en el interior del frigorífico, el segundo en el exterior y el tercero está conectado a una fuente de alimentación que se calienta cada cierto tiempo para poder llegar al estado E y reponer la fuente. En el paso de enfriamiento en el interior del refrigerador, la partícula en estado g absorbe energía de las partículas ambientales, enfriándolas y saltando al estado e. En el segundo paso, en el exterior del frigorífico, donde las partículas también están en estado e, la partícula cae al estado g, liberando energía y calentando las partículas exteriores. En el tercer y último paso, la fuente de energía mueve una partícula en el estado e, y cuando cae al estado g induce un intercambio de energía neutral donde la partícula interior e es reemplazada por una nueva partícula g, reiniciando el ciclo.

Sistemas pasivos

Los investigadores del MIT han ideado una nueva forma de proporcionar refrigeración en un día caluroso y soleado, utilizando materiales económicos y sin necesidad de energía generada por combustibles fósiles. El sistema pasivo, que podría usarse para complementar otros sistemas de enfriamiento para conservar alimentos y medicamentos en lugares calientes y fuera de la red, es esencialmente una versión de alta tecnología de una sombrilla.

Clasificaciones de capacidad

La capacidad de refrigeración de un sistema de refrigeración es el producto de los evaporadores ' entalpía subida y los evaporadores' tasa de flujo de masa . La capacidad de refrigeración medida a menudo se dimensiona en la unidad de kW o BTU / h. Los refrigeradores domésticos y comerciales se pueden clasificar en kJ / s o Btu / h de enfriamiento. Para los sistemas de refrigeración comercial e industrial, el kilovatio (kW) es la unidad básica de refrigeración, excepto en América del Norte, donde se utilizan tanto toneladas de refrigeración como BTU / h.

El coeficiente de rendimiento (CoP) de un sistema de refrigeración es muy importante para determinar la eficiencia general de un sistema. Se define como la capacidad de refrigeración en kW dividida por la entrada de energía en kW. Si bien CoP es una medida de rendimiento muy simple, generalmente no se usa para refrigeración industrial en América del Norte. Los propietarios y fabricantes de estos sistemas suelen utilizar el factor de rendimiento (PF). El PF de un sistema se define como la entrada de energía de un sistema en caballos de fuerza dividida por su capacidad de refrigeración en TR. Tanto CoP como PF se pueden aplicar a todo el sistema oa sus componentes. Por ejemplo, un compresor individual puede clasificarse comparando la energía necesaria para hacer funcionar el compresor con la capacidad de refrigeración esperada en función del caudal volumétrico de entrada. Es importante tener en cuenta que tanto CoP como PF para un sistema de refrigeración solo se definen en condiciones operativas específicas, incluidas temperaturas y cargas térmicas. Alejarse de las condiciones operativas especificadas puede cambiar drásticamente el rendimiento de un sistema.

Los sistemas de aire acondicionado utilizados en aplicaciones residenciales suelen utilizar SEER (índice de eficiencia energética estacional) para la calificación de rendimiento energético. Los sistemas de aire acondicionado para aplicaciones comerciales a menudo utilizan EER ( Relación de eficiencia energética ) e IEER (Relación de eficiencia energética integrada) para la calificación de rendimiento de eficiencia energética.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

• Volumen de refrigeración , manual de ASHRAE , ASHRAE, Inc., Atlanta, GA
• Stoecker y Jones, Refrigeración y aire acondicionado , Tata-McGraw Hill Publishers
• Mathur, ML, Mehta, FS, Ingeniería térmica Vol II
• Enciclopedia MSN Encarta
• Andrew D. Althouse; Carl H. Turnquist; Alfred F. Bracciano (2003). Refrigeración y aire acondicionado modernos (18a ed.). Publicación Goodheart-Wilcox. ISBN 978-1-59070-280-2.
• Anderson, Oscar Edward (1972). Refrigeración en América: una historia de una nueva tecnología y su impacto . Prensa Kennikat. pag. 344. ISBN 978-0-8046-1621-8.
• Shachtman, Tom (2000). Cero absoluto: y la conquista del frío . Libros Mariner. pag. 272. ISBN 978-0-618-08239-1.
• Woolrich, Willis Raymond (1967). Los hombres que crearon el frío: una historia de la refrigeración (1ª ed.). Exposición Prensa. pag. 212.

enlaces externos

• Iniciativa de enfriamiento verde sobre tecnologías alternativas de enfriamiento de refrigerantes naturales
• "El ciclo de refrigeración", de HowStuffWorks
• "La Refrigeración", de frigokey
• Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE)
• Instituto Internacional de Refrigeración (IIR)
• Instituto Británico de Refrigeración
• Desplácese hacia abajo hasta "Sistema de absorción de ciclo continuo"
• Departamento de Energía de EE. UU .: Conceptos básicos de la tecnología de los ciclos de absorción
• Instituto de Refrigeración