La refrigeración es uno de los diversos tipos de enfriamiento de un espacio, sustancia o sistema para reducir y/o mantener su temperatura por debajo de la temperatura ambiente (mientras que el calor eliminado se expulsa a un lugar de mayor temperatura). [1] [2] La refrigeración es un método de enfriamiento artificial o creado por el hombre . [1] [2]
La refrigeración se refiere al proceso por el cual la energía, en forma de calor, se elimina de un medio de baja temperatura y se transfiere a un medio de alta temperatura. [3] [4] Este trabajo de transferencia de energía es impulsado tradicionalmente por medios mecánicos (ya sea hielo o máquinas electromecánicas ), pero también puede ser impulsado por calor, magnetismo , electricidad , láser u otros medios. La refrigeración tiene muchas aplicaciones, incluidos refrigeradores domésticos , congeladores industriales , criogenia y aire acondicionado . [5] [6] [7] Las bombas de calor pueden utilizar la salida de calor del proceso de refrigeración, y también pueden estar diseñadas para ser reversibles, pero por lo demás son similares a las unidades de aire acondicionado. [5]
La refrigeración ha tenido un gran impacto en la industria, el estilo de vida, la agricultura y los patrones de asentamiento. [8] La idea de conservar los alimentos se remonta a la prehistoria humana , pero durante miles de años los humanos estuvieron limitados en cuanto a los medios para hacerlo. Utilizaban el curado mediante salazón y secado , y aprovechaban el frescor natural en cuevas , bodegas y el clima invernal , pero no había otros medios de refrigeración disponibles. En el siglo XIX, comenzaron a utilizar el comercio del hielo para desarrollar cadenas de frío . [9] A finales del siglo XIX y mediados del XX, se desarrolló, mejoró y amplió enormemente su alcance la refrigeración mecánica . [3] Por tanto, la refrigeración ha evolucionado rápidamente en el último siglo, desde la recolección de hielo hasta los vagones de ferrocarril con temperatura controlada , los camiones frigoríficos y los omnipresentes refrigeradores y congeladores tanto en tiendas como en hogares de muchos países. La introducción de vagones de ferrocarril refrigerados contribuyó al asentamiento de zonas que antes no estaban en los principales canales de transporte, como ríos, puertos o senderos de valles.
Estos nuevos patrones de asentamiento impulsaron la construcción de grandes ciudades que pueden prosperar en áreas que de otro modo se consideraban inhóspitas, como Houston , Texas, y Las Vegas , Nevada. En la mayoría de los países desarrollados, las ciudades dependen en gran medida de la refrigeración de los supermercados para obtener sus alimentos para el consumo diario. [10] El aumento de las fuentes de alimentos ha llevado a una mayor concentración de ventas agrícolas provenientes de un porcentaje menor de granjas. [11] Las granjas hoy en día tienen una producción per cápita mucho mayor en comparación con fines del siglo XIX. [12] [11] 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.
La recolección estacional de nieve y hielo es una práctica antigua que se estima que comenzó antes del año 1000 a. C. [13] Una colección china de letras de este período de tiempo conocida como Sleaping describe ceremonias religiosas para llenar y vaciar 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 recolección de hielo puede haber sido los judíos en el libro de Proverbios, que dice: "Como el frío de la nieve en el tiempo de la siega, así es un mensajero fiel a quienes lo enviaron". Los historiadores han interpretado esto como que los judíos usaban hielo para enfriar bebidas en lugar de conservar alimentos. Otras culturas antiguas, como los griegos y los romanos, cavaban 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 alimentos, sino principalmente como un medio para enfriar bebidas. Los egipcios enfriaban el agua por evaporación en vasijas de barro poco profundas en los techos de sus casas por la noche. Los antiguos habitantes de la India usaban este mismo concepto para producir hielo. Los persas almacenaban el 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 hubiera un suministro eléctrico fiable, muchos granjeros utilizaban una caja fuerte Coolgardie , que consistía en una habitación con cortinas de arpillera colgadas del techo empapadas en agua. El agua se evaporaba y, por lo tanto, enfriaba la habitación, lo que permitía conservar muchos productos perecederos, como fruta, mantequilla y embutidos. [14] [15]
Antes de 1830, pocos estadounidenses utilizaban hielo para refrigerar los alimentos debido a la falta de hieleras y neveras portátiles. A medida que estas dos cosas se hicieron más accesibles, las personas empezaron a utilizar hachas y sierras para recolectar hielo para sus depósitos. Este método resultó ser difícil, peligroso y, desde luego, no se parecía a nada que pudiera reproducirse a escala comercial. [16]
A pesar de las dificultades que presentaba la recolección de hielo, Frederic Tudor pensó que podría sacar provecho de este nuevo producto recogiéndolo en Nueva Inglaterra y enviándolo a las islas del Caribe y a los estados del sur. Al principio, Tudor perdió miles de dólares, pero con el tiempo obtuvo beneficios al construir depósitos de hielo en Charleston (Virginia) y en la ciudad portuaria cubana de La Habana. Estos depósitos de hielo, así como los barcos mejor aislados, ayudaron a reducir el desperdicio de hielo del 66% al 8%. Esta mejora de la eficiencia influyó en Tudor para ampliar su mercado del hielo a otras ciudades con depósitos de hielo, como Nueva Orleans y Savannah. Este mercado del hielo se expandió aún más a medida que la recolección de hielo se volvía 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. Esta invención, así como el éxito de Tudor, inspiraron a otros a involucrarse en el comercio del hielo y la industria del hielo creció.
El hielo se convirtió en un producto de consumo masivo a principios de la década de 1830, cuando su precio bajó de seis centavos la libra a medio centavo la 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 aumentó de 6.000 toneladas a 85.000 toneladas durante ese mismo período. La recolección de hielo creó una "cultura de la refrigeración", ya que la mayoría de la gente utilizaba hielo y hieleras 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. [17] [18]
La historia de la refrigeración artificial comenzó cuando el profesor escocés William Cullen diseñó una pequeña máquina refrigeradora en 1755. Cullen utilizó una bomba para crear un vacío parcial sobre un recipiente con éter dietílico , que luego hirvió , absorbiendo calor del aire circundante. [19] El experimento incluso creó una pequeña cantidad de hielo, pero no tenía aplicación práctica en ese momento.
En 1758, Benjamin Franklin y John Hadley , profesor de química, colaboraron en un proyecto que investigaba el principio de la 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, podía usarse para reducir la temperatura de un objeto más allá del punto de congelación del agua. Realizaron su experimento con el bulbo 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 0 °C (32 °F), se formó una fina película de hielo en la superficie del bulbo del termómetro y que la masa de hielo tenía aproximadamente 6,4 milímetros ( 1 ⁄ 4 in) de espesor cuando detuvieron el experimento al alcanzar los -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". [20] 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 amoniaco y otros gases mediante el uso de altas presiones y bajas temperaturas, y en 1834, un expatriado estadounidense en Gran Bretaña, Jacob Perkins , construyó el primer sistema de refrigeración por compresión de vapor en funcionamiento del mundo. Se trataba de un sistema de ciclo cerrado que podía funcionar de forma continua, como describió en su patente:
Su sistema prototipo funcionó aunque no tuvo éxito comercial. [21]
En 1842, el médico estadounidense John Gorrie [ 22] realizó un intento similar, que construyó un prototipo funcional, pero fue un fracaso comercial. Como muchos de los expertos médicos de esa época, Gorrie pensaba que la exposición excesiva al calor tropical provocaba degeneración mental y física, así como la propagación de enfermedades como la malaria. [23] Concibió la idea de utilizar su sistema de refrigeración para enfriar el aire y lograr 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 utilizaba 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 utilizaba éter, alcohol o amoníaco. Construyó una máquina mecánica para fabricar hielo en 1851 en las orillas del río Barwon en Rocky Point en Geelong , Victoria , y su primera máquina comercial para fabricar hielo le siguió en 1854. Harrison también introdujo la refrigeración comercial por compresión de vapor en cervecerías y empacadoras de carne, 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 sin refrigerar 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 frigorífica en lugar de un sistema de refrigeración. La empresa fue un fracaso porque el hielo se consumió más rápido de lo esperado.
El primer sistema de refrigeración por absorción de gas que utilizaba amoníaco gaseoso disuelto en agua (conocido como "aqua ammonia") fue desarrollado por Ferdinand Carré de Francia en 1859 y patentado en 1860. Carl von Linde , un ingeniero especializado en locomotoras de vapor y profesor de ingeniería en la Universidad Tecnológica de Múnich 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 a gran escala durante todo el año ; patentó un método mejorado para licuar gases en 1876. [24] 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 se utilizaron ampliamente para ese propósito hasta finales de la década de 1920.
Thaddeus Lowe , un aeronauta estadounidense, poseía varias patentes sobre máquinas para fabricar hielo. Su "máquina de hielo por compresión" revolucionaría la industria del almacenamiento en frío. En 1869, él y otros inversores compraron un viejo barco de vapor en el que cargaron una de las unidades de refrigeración de Lowe y comenzaron a enviar fruta fresca desde Nueva York a la zona de la Costa del Golfo, y carne fresca desde Galveston, Texas, de vuelta a Nueva York, pero debido a la falta de conocimientos de Lowe sobre transporte marítimo, el negocio fue un costoso fracaso.
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. El francés Ferdinand Carré 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 podían obtener hielo de Nueva Inglaterra a través del comercio de hielo costero. El sistema de refrigeración de Carré se convirtió en la solución a los problemas de hielo de Nueva Orleans y, en 1865, la ciudad tenía tres de las máquinas de Carré. [25] En 1867, en San Antonio, Texas, un inmigrante francés llamado Andrew Muhl construyó una máquina para fabricar hielo para ayudar a dar servicio a la creciente industria de la carne de vacuno 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 máquinas de hielo comerciales en los EE. UU.
En la década de 1870, las cervecerías se habían convertido en los mayores usuarios de hielo cosechado. 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, lo que lo convirtió en un problema en los suburbios metropolitanos. Con el tiempo, las cervecerías comenzaron a quejarse de hielo contaminado. La preocupación pública por la pureza del agua, a partir de la cual se formaba el hielo, comenzó a aumentar a principios de la década de 1900 con el surgimiento de la teoría de los gérmenes. Numerosos medios de comunicación publicaron artículos que relacionaban enfermedades como la fiebre tifoidea con el consumo de hielo natural. Esto provocó que la recolección de hielo se volviera ilegal en ciertas áreas del país. Todos estos escenarios aumentaron la demanda de refrigeración moderna y hielo fabricado. Las máquinas de producción de hielo como las de Carre's y Muhl's se consideraron como medios de producción de hielo para satisfacer las necesidades de los tenderos, los agricultores y los transportistas de alimentos. [26] [27]
Los vagones de ferrocarril refrigerados se introdujeron en los EE. UU. en la década de 1840 para el transporte de productos lácteos en trayectos cortos, pero utilizaban hielo cosechado para mantener una temperatura fresca. [28]
La nueva tecnología de refrigeración se utilizó por primera vez de forma generalizada en la industria como medio para congelar suministros de carne para su transporte por mar en buques frigoríficos desde los dominios británicos y otros países hasta las Islas Británicas . Aunque en realidad no fue el primero en lograr un transporte exitoso de productos congelados al extranjero (el Strathleven había llegado a los muelles de Londres el 2 de febrero de 1880 con un cargamento de carne de res, cordero y mantequilla congelados desde Sídney y Melbourne [29] ), el avance se atribuye a menudo a William Soltau Davidson , un empresario que había emigrado a Nueva Zelanda . Davidson pensó que la creciente población y la demanda de carne de Gran Bretaña podrían mitigar la caída de los mercados mundiales de lana que afectaba gravemente a Nueva Zelanda. Después de una extensa investigación, encargó que se reacondicionara el Dunedin 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 en lo que sería el primer viaje de envío refrigerado comercialmente exitoso y la base de la industria de la carne refrigerada . [30]
El Times comentó: "Hoy tenemos que registrar un triunfo sobre las dificultades físicas, como habría sido increíble, incluso inimaginable, hace muy pocos días...". El Marlborough —barco gemelo del Dunedin— fue inmediatamente reconvertido y se unió al comercio al año siguiente, junto con elbuque rival Mataurua de la 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 Zelanda al Reino Unido, de los cuales solo 9 tuvieron cantidades significativas de carne condenadas. El transporte refrigerado también condujo a un auge más amplio de la carne y los productos lácteos en Australasia y Sudamérica. J & E Hall de Dartford , Inglaterra, equipó al SS Selembria con un sistema de compresión de vapor para traer 30.000 carcasas de cordero desde las Islas Malvinas en 1886. [31] En los años siguientes, la industria se expandió rápidamente a Australia, Argentina y Estados Unidos.
En la década de 1890, la refrigeración desempeñó un papel vital en la distribución de alimentos. La industria de envasado de carne dependía en gran medida del hielo natural en la década de 1880 y continuó dependiendo del hielo fabricado a medida que esas tecnologías estuvieron disponibles. [32] En 1900, las plantas empacadoras de carne de Chicago habían adoptado la refrigeración comercial de ciclo de amoníaco. En 1914, casi todos los lugares usaban 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 equipos frigoríficos para su instalación en camiones o furgonetas. Los vehículos frigoríficos 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 unos 24.000 kg de peso bruto (en Europa).
Aunque la refrigeración comercial avanzó rápidamente, tenía limitaciones que impedían su introducción en los hogares. En primer lugar, 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 caros de producir, comprar y mantener. Por último, estos refrigeradores eran inseguros. No era raro que se incendiaran, explotaran o filtraran gases tóxicos. La refrigeración no se convirtió en una tecnología doméstica hasta que se superaron estos tres desafíos. [33]
A principios del siglo XIX, los consumidores conservaban sus alimentos almacenando los alimentos y el hielo que compraban en las hieleras. En 1803, Thomas Moore patentó un recipiente para almacenar mantequilla revestido de metal que se convirtió en el prototipo de la mayoría de las hieleras. Estas hieleras se utilizaron hasta casi 1910 y la tecnología no progresó. De hecho, los consumidores que utilizaban la hielera en 1910 se enfrentaron al mismo desafío de una hielera mohosa y maloliente que los consumidores de principios del siglo XIX. [34]
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 redujo el tamaño del refrigerador. Sin embargo, las compañías eléctricas que eran clientes de GE no se beneficiaron de una unidad alimentada con gas. Por lo tanto, GE invirtió en el desarrollo de un modelo eléctrico. En 1927, GE lanzó el Monitor Top, el primer refrigerador que funcionaba con electricidad. [35]
En 1930, Frigidaire, uno de los principales competidores de GE, sintetizó el freón . [36] Con la invención de refrigerantes sintéticos basados principalmente en un químico clorofluorocarbonado (CFC), se hicieron posibles refrigeradores más seguros para uso doméstico y de consumo. El freón condujo al desarrollo de refrigeradores más pequeños, ligeros y baratos. El precio medio de un refrigerador bajó de 275 dólares a 154 dólares con la síntesis del freón. Este precio más bajo permitió que la propiedad de refrigeradores en los hogares estadounidenses superara el 50% en 1940. [37] El freón es una marca registrada de DuPont Corporation y se refiere a estos CFC, y más tarde a los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC), refrigerantes desarrollados a finales de la década de 1920. Estos refrigerantes se consideraban —en aquel momento— 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. Los refrigerantes CFC respondieron a esa necesidad. Sin embargo, en la década de 1970 se descubrió que estos compuestos reaccionaban con el ozono atmosférico, una importante protección contra la radiación ultravioleta solar, y su uso como refrigerante en todo el mundo se limitó en el Protocolo de Montreal de 1987.
En el siglo pasado, la refrigeración permitió que surgieran nuevos patrones de asentamiento. Esta nueva tecnología ha permitido que se establecieran nuevas áreas que no se encontraban en un canal de transporte natural, como un río, un sendero en un valle o un puerto, que de otro modo no habrían sido colonizadas. 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 suelos ricos y sin explotar vieron la oportunidad de obtener ganancias enviando materias primas a las ciudades y estados del este. En el siglo XX, la refrigeración ha hecho posible la creación de "ciudades galácticas" como Dallas, Phoenix y Los Ángeles.
El vagón frigorífico ( furgón refrigerado 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 frigorífico, era imposible enviar productos alimenticios perecederos a largas distancias. La industria empacadora de carne de vacuno hizo el primer impulso de demanda de vagones frigoríficos. Las compañías ferroviarias tardaron en adoptar este nuevo invento debido a sus fuertes inversiones en vagones de ganado, corrales de engorde y corrales de engorde. [38] Los vagones frigoríficos también eran complejos y costosos en comparación con otros vagones de ferrocarril, lo que también ralentizó la adopción del vagón frigorífico. Después de la lenta adopción del vagón frigorífico, la industria empacadora de carne de vacuno dominó el negocio de los vagones frigoríficos con su capacidad para controlar las plantas de hielo y el establecimiento de tarifas de hielo. El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos estimó que, en 1916, más del sesenta y nueve por ciento del ganado sacrificado en el país se hacía en plantas involucradas en el comercio interestatal. Las mismas empresas que también estaban involucradas en el comercio de carne implementaron más tarde el transporte refrigerado para incluir verduras y frutas. Las empresas empacadoras de carne tenían gran parte de la maquinaria costosa, como vagones 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 parque nacional de vagones frigoríficos para lidiar con el problema de los vagones inactivos y luego continuó después de la guerra. [39] El problema de los vagones inactivos era el problema de los vagones frigoríficos que se quedaban inútilmente entre las cosechas estacionales. Esto significaba que los vagones muy caros se quedaban en los patios ferroviarios durante una buena parte del año sin generar ingresos para el propietario del vagón. El parque de vagones era un sistema en el que los vagones se distribuían a las áreas a medida que maduraban los cultivos, lo que garantizaba el máximo uso de los vagones. Los vagones frigoríficos se movían hacia el este desde viñedos, huertos, campos y jardines en los estados occidentales para satisfacer el mercado de consumo de Estados Unidos en el este. [40] El vagón frigorífico hizo posible transportar cultivos perecederos cientos e incluso miles de kilómetros o millas. El efecto más notable del vagón fue una especialización regional de verduras y frutas. El vagón frigorífico fue ampliamente utilizado para el transporte de productos perecederos hasta la década de 1950. En la década de 1960, el sistema de autopistas interestatales del país estaba lo suficientemente completo, lo que permitió que los camiones transportaran la mayoría de las cargas de alimentos perecederos y reemplazaran al antiguo sistema de vagones frigoríficos. [41]
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 el país en áreas que antes estaban deshabitadas y muy alejadas de las áreas densamente pobladas. Se presentaron nuevas oportunidades agrícolas en áreas que se consideraban rurales, como los estados del sur y del oeste. Los envíos a gran escala desde el sur y California se realizaron casi al mismo tiempo, aunque se utilizó hielo natural de las Sierras de California en lugar de hielo fabricado en el sur. [42] La refrigeración permitió que muchas áreas se especializaran en el cultivo de frutas específicas. California se especializó en varias frutas, uvas, duraznos, peras, ciruelas y manzanas, mientras que Georgia se hizo famosa específicamente por sus duraznos. En California, la aceptación de los vagones refrigerados condujo a un aumento de las cargas de vagones de 4.500 vagones en 1895 a entre 8.000 y 10.000 vagones en 1905. [43] Los estados del Golfo, Arkansas, Missouri y Tennessee entraron en la producción de fresas a gran escala, mientras que Mississippi se convirtió en el centro de la industria del tomate . Nuevo México, Colorado, Arizona y Nevada cultivaban melones. Sin refrigeración, esto no habría sido posible. En 1917, las zonas de frutas y verduras bien establecidas que estaban cerca de los mercados del este sintieron la presión de la competencia de estos distantes centros especializados. [44] La refrigeración no se limitaba a la carne, la fruta 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 productos lácteos de granjas a una distancia de hasta 640 kilómetros (400 millas). Los productos lácteos no se transportaban tan fácilmente a grandes distancias como las frutas y las verduras debido a su mayor perecibilidad. La refrigeración hizo posible la producción en el oeste, lejos de los mercados orientales, hasta el punto de que los productores lecheros podían pagar el costo del transporte y aun así vender más barato que sus competidores orientales. [45] La refrigeración y el ferrocarril refrigerado dieron oportunidad a áreas con suelo rico lejos de canales naturales de transporte, como un río, un sendero de valle o puertos. [46]
"Ciudad periférica" 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 de la producción agrícola. Las grandes ciudades como las mencionadas anteriormente no han sido poco comunes en la historia, pero lo que separa a estas ciudades del resto es que estas ciudades no están a lo largo de algún canal natural de transporte, o en algún cruce de dos o más canales como un sendero, puerto, montaña, río o valle. Estas grandes ciudades se han desarrollado en áreas que solo hace unos cientos de años habrían 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 fue influenciado por la refrigeración y un aumento de la productividad agrícola, permitiendo que granjas más distantes alimentaran eficazmente a la población. [46]
El papel de la agricultura en los países desarrollados ha cambiado drásticamente en el último siglo debido a muchos factores, entre ellos la refrigeración. Las estadísticas del censo de 2007 ofrecen información sobre la gran concentración de ventas agrícolas procedentes de una pequeña parte de las granjas existentes en los Estados Unidos en la actualidad. Esto es un resultado parcial del mercado creado para el comercio de carne congelada por el primer envío exitoso de carcasas de ovejas congeladas procedentes de Nueva Zelanda en la década de 1880. A medida que el mercado siguió creciendo, comenzaron a aplicarse 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 las granjas, aumentando la producción por persona. Hoy en día, el uso de la refrigeración en las granjas reduce los niveles de humedad, evita el deterioro debido al crecimiento bacteriano y ayuda a la conservación.
La introducción de la refrigeración y la evolución de tecnologías adicionales cambiaron drásticamente la agricultura en los Estados Unidos. A principios del siglo XX, la agricultura era una ocupación y un estilo de vida común para los ciudadanos de los Estados Unidos, ya que la mayoría de los agricultores vivían en sus granjas. 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 los Estados Unidos ha seguido aumentando, los ciudadanos que se dedican a la agricultura siguen disminuyendo. Según el censo de los Estados Unidos 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 mayor demanda de productos agrícolas, que se satisface mediante una mayor variedad de cultivos, fertilizantes, pesticidas y tecnología mejorada. La tecnología mejorada ha disminuido el riesgo y el tiempo necesarios para la gestión agrícola y permite que las granjas más grandes aumenten su producción per cápita para satisfacer la demanda de la sociedad. [47]
Antes de 1882, la Isla Sur de Nueva Zelanda había estado experimentando con la siembra de pasto y el cruce de ovejas, lo que inmediatamente dio a sus agricultores potencial económico en la exportación de carne. En 1882, el primer envío exitoso de cadáveres de ovejas se envió 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 provenía el 50% de las carcasas de ovejas exportadas en 1900. No pasó mucho tiempo antes de que la carne de Canterbury fuera conocida por la más alta calidad, creando una demanda de carne neozelandesa en todo el mundo. Para satisfacer esta nueva demanda, los agricultores mejoraron su alimentación para que las ovejas pudieran estar listas para el matadero en solo siete meses. Este nuevo método de envío condujo a un auge económico en Nueva Zelanda a mediados de la década de 1890. [48]
En los Estados Unidos, la Ley de Inspección de la Carne de 1891 se puso en marcha en los Estados Unidos porque los carniceros locales sentían que el sistema de vagones refrigerados era insalubre. [49] 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 hacia la industria del envasado 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 la Carne de 1906 se puso en marcha como una enmienda a la Ley de Inspección de la Carne de 1891. Esta nueva ley se centró en la calidad de la carne y el entorno en el que se procesa. [50]
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 como 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 seguirían rezagadas con respecto a las áreas urbanas tanto en pobreza como en producción si no estaban conectadas eléctricamente. El 11 de mayo de 1935, el presidente firmó una orden ejecutiva llamada Administración de Electrificación Rural , también conocida como REA. La agencia proporcionó préstamos para financiar la infraestructura eléctrica en las áreas rurales. En solo unos años, 300.000 personas en áreas rurales de los 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. Se introdujeron sistemas de refrigeración en los procesos agrícolas y de distribución de alimentos , lo que ayudó a la conservación de los alimentos y mantuvo seguros los suministros de alimentos . La refrigeración también permitió el envío de productos perecederos a todo Estados Unidos. Como resultado, los agricultores estadounidenses se convirtieron rápidamente en los más productivos del mundo [51] y surgieron sistemas alimentarios completamente nuevos .
Para reducir los niveles de humedad y el deterioro debido al crecimiento bacteriano, en la actualidad se utiliza refrigeración para el procesamiento de carne, productos agrícolas y lácteos en las granjas. Los sistemas de refrigeración se utilizan con mayor intensidad 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. [52]
A finales del siglo XIX y principios del XX, a excepción de los alimentos básicos (azúcar, arroz y frijoles) que no necesitaban refrigeración, los alimentos disponibles se veían muy afectados por las estaciones y lo que se podía cultivar localmente. [53] [54] La refrigeración ha eliminado estas limitaciones. La refrigeración ha desempeñado un papel importante en la viabilidad y luego 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 llevado a un enorme aumento de la carne y los productos lácteos como parte de las ventas generales de los supermercados. [55] Además de cambiar los productos comprados en el mercado, la capacidad de almacenar estos alimentos durante períodos prolongados de tiempo ha llevado a un aumento del tiempo libre. [ cita requerida ] Antes de la llegada del refrigerador doméstico, la gente tenía que comprar a diario los suministros necesarios para sus comidas. [56] [57]
La introducción de la refrigeración permitió la manipulación y el almacenamiento higiénicos de productos perecederos [58] y, como tal, promovió el crecimiento de la producción, el consumo y la disponibilidad de nutrición. El cambio en nuestro método de conservación de alimentos nos alejó de las sales hacia un nivel de sodio más manejable. La capacidad de mover y almacenar productos perecederos como la carne y los productos lácteos condujo 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. [59]
La gente no sólo consumía estos productos perecederos porque les resultaba más fácil almacenarlos, sino porque las innovaciones en el transporte y almacenamiento refrigerados conducían a un menor deterioro y desperdicio, lo que hacía bajar los precios de estos productos. La refrigeración es responsable de al menos el 5,1% del aumento de la estatura de los adultos (en los EE.UU.) a través de una mejor nutrición [60] [61] , y cuando se tienen en cuenta además los efectos indirectos asociados con las mejoras en la calidad de los nutrientes y la reducción de las enfermedades, el impacto general se hace considerablemente mayor [59] . Estudios recientes también han demostrado una relación negativa entre el número de refrigeradores en un hogar y la tasa de mortalidad por cáncer gástrico [62] .
Probablemente las aplicaciones actuales más utilizadas de la refrigeración son el acondicionamiento del aire de viviendas particulares y edificios públicos, y la refrigeración de alimentos en viviendas, restaurantes y grandes almacenes. El uso de refrigeradores , cámaras frigoríficas y congeladores en cocinas, fábricas y almacenes [63] [64] [65] [66] [67] para almacenar y procesar frutas y verduras ha permitido añadir ensaladas frescas a la dieta moderna durante todo el año, y almacenar pescado y carnes de forma segura durante largos periodos. El rango de temperatura óptimo para el almacenamiento de alimentos perecederos es de 3 a 5 °C (37 a 41 °F). [68]
En el comercio y la fabricación, la refrigeración tiene muchos usos. La refrigeración se utiliza para licuar gases, como oxígeno , nitrógeno , propano y metano . En la purificación del aire comprimido, se utiliza para condensar el vapor de agua del aire comprimido para reducir su contenido de humedad. En las refinerías de petróleo , las plantas químicas y las plantas petroquímicas , la refrigeración se utiliza 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 alimentos y otros materiales sensibles a la temperatura en camiones, trenes, aviones y buques marítimos, la refrigeración es una necesidad.
Los productos lácteos necesitan refrigeración constantemente [8] [69] y recién en las últimas décadas se descubrió que los huevos debían refrigerarse durante el envío en lugar de esperar a que llegaran a la tienda de comestibles para refrigerarlos. Las carnes, las aves y el pescado deben conservarse en ambientes con clima controlado antes de venderse [70] . La refrigeración también ayuda a que las frutas y verduras se mantengan comestibles durante más tiempo [70] .
Uno de los usos más influyentes de la refrigeración fue en el desarrollo de la industria del sushi / sashimi en Japón. [71] [72] Antes del descubrimiento de la refrigeración, muchos conocedores de sushi corrían el riesgo de contraer enfermedades. Los peligros del sashimi sin refrigeración no se conocieron durante décadas debido a la falta de investigación y distribución de atención médica en el Japón rural. A 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.
Los métodos de refrigeración se pueden clasificar en no cíclicos , cíclicos , termoeléctricos y magnéticos .
Este método de refrigeración enfría un área cerrada derritiendo hielo o sublimando hielo seco . [73] Quizás el ejemplo más simple de esto es una hielera portátil, donde se colocan los artículos y luego se vierte hielo sobre la parte superior. El hielo regular puede mantener temperaturas cercanas, pero no por debajo del punto de congelación, a menos que se use sal para enfriar el hielo aún más (como en una máquina de helados tradicional ). El hielo seco puede reducir de manera confiable la temperatura muy por debajo del punto de congelación del agua.
Este consiste en un ciclo de refrigeración, donde el calor se extrae 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 sumidero de baja temperatura. Esto satisface la segunda ley de la termodinámica .
Un ciclo de refrigeración describe los cambios que se producen en el refrigerante a medida 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 compacto o dividido.
El calor fluye naturalmente de lo caliente al frío. Se aplica trabajo para enfriar un espacio habitable o un volumen de almacenamiento bombeando calor desde una fuente de calor de menor temperatura a un disipador de calor de mayor temperatura. Se utiliza aislamiento para reducir el trabajo y la energía necesarios para alcanzar y mantener una temperatura más baja en el espacio enfriado. 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 de Rankine inverso , aunque las bombas de calor de absorción se utilizan en una minoría de aplicaciones.
La refrigeración cíclica se puede clasificar en:
La refrigeración por ciclo de vapor se puede clasificar además como:
El ciclo de compresión de vapor se utiliza en la mayoría de los refrigeradores domésticos, así como en muchos sistemas de refrigeración comerciales e industriales de gran tamaño. La figura 1 ofrece un diagrama esquemático de los componentes de un sistema de refrigeración por compresión de vapor típico.
La termodinámica del ciclo se puede analizar en un diagrama [74] como se muestra en la Figura 2. En este ciclo, un refrigerante circulante, como un hidrocarburo de bajo punto de ebullición o hidrofluorocarbonos, 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 al punto 4, el vapor viaja a través del condensador que enfría el vapor hasta que comienza a condensarse y luego condensa el vapor en un líquido eliminando calor adicional a presión y temperatura constantes. Entre los puntos 4 y 5, el refrigerante líquido pasa por la válvula de expansión (también llamada válvula de estrangulación) donde su presión disminuye abruptamente, lo que provoca una evaporación instantánea y una autoenfriamiento de, típicamente, menos de la mitad del líquido.
Esto 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 fría de líquido y vapor luego viaja a través del serpentín o los tubos del evaporador y se vaporiza completamente al enfriar el aire caliente (del espacio que se está refrigerando) que sopla un ventilador a través del serpentín o los tubos del evaporador. El vapor de refrigerante resultante regresa a la entrada del compresor en el punto 1 para completar el ciclo termodinámico.
El análisis 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, la leve irreversibilidad termodinámica durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento no ideal del gas , si lo hubiera. Los refrigeradores por compresión de vapor se pueden organizar en dos etapas en sistemas de refrigeración en cascada , en los que la segunda etapa enfría 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 Perry's Chemical Engineers' Handbook . [75]
En los primeros años del siglo XX, el ciclo de absorción de vapor que utiliza sistemas de agua-amoníaco o LiBr -agua era popular y se utilizaba ampliamente. 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 del ciclo de compresión de vapor). Hoy en día, el ciclo de absorción de vapor se utiliza principalmente donde hay combustible para calefacción disponible pero no 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 aumentar la presión del vapor refrigerante. En el sistema de absorción, el compresor se reemplaza por un absorbedor que disuelve el refrigerante en un líquido adecuado, una bomba de líquido que aumenta 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 cantidad dada de refrigerante, es mucho menor que el que necesita el compresor en el ciclo de compresión de vapor. En un refrigerador 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).
La principal diferencia con el ciclo de absorción, es que en el ciclo de adsorción, el refrigerante (adsorbato) puede ser amoniaco, agua, metanol , etc., mientras que el adsorbente es un sólido, como gel de sílice , carbón activado o zeolita , a diferencia del ciclo de absorción donde el absorbente es líquido.
La razón por la que la tecnología de refrigeración por adsorción se ha investigado ampliamente 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. [76]
Cuando el fluido de trabajo es un gas que se comprime y se expande pero no cambia de fase, el ciclo de refrigeración se denomina ciclo de gas . El aire es el fluido de trabajo más frecuente. Como en un ciclo de gas no se prevé condensación ni evaporación, 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.
El ciclo de gas es menos eficiente que el ciclo de compresión de vapor porque el ciclo de 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 de 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 refrigeradores de ciclo de aire no se utilizan a menudo en la actualidad en dispositivos de refrigeración terrestres. Sin embargo, la máquina de ciclo de aire es muy común en los aviones a reacción propulsados por turbinas de gas como unidades de refrigeración y ventilación, porque el aire comprimido está fácilmente disponible en las secciones del compresor de los motores. Estas unidades también sirven para presurizar la aeronave.
El enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier para crear un flujo de calor entre la unión de dos tipos de materiales. [77] Este efecto se utiliza comúnmente en refrigeradores portátiles y para acampar y para enfriar componentes electrónicos [78] y pequeños instrumentos. Los refrigeradores Peltier se utilizan a menudo donde un refrigerador de ciclo de compresión de vapor tradicional sería poco 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 refrigeradores Peltier de dos o más etapas dispuestos en una configuración de refrigeración en cascada , lo que significa que dos o más elementos Peltier se apilan uno sobre el otro, siendo cada etapa más grande que la anterior, [79] [80] [81] 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 el mecanismo de enfriamiento) y consume más energía para una capacidad de enfriamiento dada. [82]
La refrigeración magnética, o desmagnetización adiabática , es una tecnología de refrigeración basada en el efecto magnetocalórico, una propiedad intrínseca de los sólidos magnéticos. El refrigerante suele ser una sal paramagnética , como el nitrato de cerio y magnesio . Los dipolos magnéticos activos en este caso son los de las capas electrónicas de los átomos paramagnéticos.
Se aplica un campo magnético intenso al refrigerante, lo que obliga a sus diversos dipolos magnéticos a alinearse y a poner estos grados de libertad del refrigerante en un estado de entropía reducida . A continuación, 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, de modo que el sistema queda aislado y el campo magnético se apaga. Esto aumenta la capacidad térmica 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, hasta ahora las aplicaciones se han limitado a la criogenia y la investigación.
Otros métodos de refrigeración incluyen la máquina de ciclo de aire utilizada en aeronaves; el tubo de vórtice utilizado para enfriamiento puntual, cuando hay aire comprimido disponible; y la refrigeración termoacústica que utiliza 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 que utiliza una aleación de metal inteligente que se estira y se relaja. Muchos motores térmicos de ciclo Stirling pueden funcionar al revés para actuar como refrigerador y, por lo tanto, estos motores tienen un uso específico en criogenia . Además, existen otros tipos de refrigeradores criogénicos como los refrigeradores Gifford-McMahon, los refrigeradores Joule-Thomson, los refrigeradores de tubo de pulso y, para temperaturas entre 2 mK y 500 mK, los refrigeradores de dilución .
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 experimentan un cambio de temperatura cuando experimentan una tensión mecánica aplicada (llamado efecto elastocalórico). Dado que los materiales superelásticos se deforman de manera 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. Al eliminar la tensión, se invierte el proceso, se restaura el material a su fase austenítica y se absorbe el calor del entorno, lo que enfría el material.
La parte más atractiva de esta investigación es lo potencialmente eficiente energéticamente y respetuosa con el medio ambiente que 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 más estudiados son las aleaciones con memoria de forma, como el nitinol y el Cu-Zn-Al. El nitinol es una de las aleaciones más prometedoras con un calor de salida de aproximadamente 66 J/cm3 y un cambio de temperatura de aproximadamente 16-20 K. [83] 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/cm3 ) como las aleaciones con memoria de forma, aún genera un cambio de temperatura comparable de aproximadamente 12 K y funciona en un rango de temperatura adecuado, bajas tensiones y bajo costo. [84]
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 deformación 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. [85]
El método de la compuerta del refrigerador es una aplicación teórica del uso de una única compuerta lógica para hacer funcionar un refrigerador de la forma más eficiente posible en términos de energía sin violar las leyes de la termodinámica. Funciona sobre la base de que existen dos estados de energía en los que puede existir una partícula: el estado fundamental y el estado excitado. El estado excitado transporta un poco más de energía que el estado fundamental, lo suficientemente pequeña como para que la transición ocurra con alta probabilidad. Hay tres componentes o tipos de partículas asociadas con la compuerta del refrigerador. El primero está en el interior del refrigerador, el segundo en el exterior y el tercero está conectado a una fuente de alimentación que se calienta cada cierto tiempo para poder alcanzar el estado E y reponer la fuente. En el paso de enfriamiento en el interior del refrigerador, la partícula del estado g absorbe energía de las partículas ambientales, enfriándolas y saltando al estado e. En el segundo paso, en el exterior del refrigerador donde las partículas también están en un estado e, la partícula cae al estado g, liberando energía y calentando las partículas externas. En el tercer y último paso, la fuente de alimentación mueve una partícula en el estado e, y cuando cae al estado g induce un intercambio de energía neutral donde la partícula e interior es reemplazada por una nueva partícula g, reiniciando el ciclo. [86]
Al combinar un sistema pasivo de enfriamiento radiativo diurno con aislamiento térmico y enfriamiento evaporativo , un estudio encontró un aumento del 300% en la potencia de enfriamiento ambiental en comparación con una superficie de enfriamiento radiativo independiente, lo que podría extender la vida útil de los alimentos en un 40% en climas húmedos y un 200% en climas desérticos sin refrigeración. La capa de enfriamiento evaporativo del sistema requeriría "recargas" de agua cada 10 días a un mes en áreas húmedas y cada 4 días en áreas cálidas y secas. [87]
La capacidad de refrigeración de un sistema de refrigeración es el producto del aumento de entalpía de los evaporadores y el caudal másico de los evaporadores . La capacidad de refrigeración medida suele expresarse en unidades de kW o BTU/h. Los refrigeradores domésticos y comerciales pueden medirse en kJ/s o Btu/h de refrigeración. En los sistemas de refrigeración comerciales e industriales, el kilovatio (kW) es la unidad básica de refrigeración, excepto en América del Norte, donde se utilizan tanto la tonelada de refrigeración como la BTU/h.
El coeficiente de rendimiento (CoP) de un sistema de refrigeración es muy importante para determinar la eficiencia general del sistema. Se define como la capacidad de refrigeración en kW dividida por la entrada de energía en kW. Si bien el CoP es una medida de rendimiento muy simple, no se suele utilizar para la 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 el CoP como el PF se pueden aplicar a todo el sistema o a los componentes del sistema. Por ejemplo, se puede evaluar un compresor individual 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 el CoP como el PF de un sistema de refrigeración solo se definen en condiciones de funcionamiento específicas, incluidas las temperaturas y las cargas térmicas. Alejarse de las condiciones de funcionamiento 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 clasificación del rendimiento energético. [88] Los sistemas de aire acondicionado para aplicaciones comerciales suelen utilizar EER ( índice de eficiencia energética ) e IEER (índice de eficiencia energética integrado) para la clasificación del rendimiento de eficiencia energética. [89]
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