Sistema de refrigeración industrial y su funcionamiento termodinámico

Los sistemas de refrigeración industrial son importantes en sectores como la alimentación, la farmacéutica, la química y la petroquímica. Su función principal es remover el calor de un proceso o espacio para mantener temperaturas específicas requeridas por la operación. Estos sistemas se basan en principios termodinámicos para extraer energía térmica de un lugar y transferirla a otro, utilizando diversos tipos de refrigerante como medio de trabajo.

En este artículo, abordaremos cómo funcionan estos sistemas, qué tipos de gases refrigerantes se emplean actualmente y cómo se detectan eficazmente las fugas de refrigerante, un aspecto fundamental para la seguridad y eficiencia del proceso.

¿Qué es un sistema de refrigeración industrial?

Un sistema de refrigeración industrial es un conjunto de equipos diseñados para mantener condiciones térmicas controladas en procesos productivos. El ciclo termodinámico más comúnmente utilizado es el de compresión de vapor, que consta de cuatro etapas fundamentales:

1. Compresión: Proceso mediante el cual se aumenta la temperatura y presión del refrigerante.
2. Condensación: Enfriamiento y condensación del gas en líquido 
3. Expansión: Disminución de la presión del líquido a través de una válvula de expansión.
4. Evaporación: El refrigerante absorbe calor del medio o proceso al evaporarse, y el ciclo se repite.

A continuación se presenta una descripción detallada de cada una de las etapas que componen este ciclo de refrigeración:

Ciclo de refrigeración industrial por compresión

El ciclo de refrigeración industrial por compresión se realiza haciendo circular refrigerante por los cuatro componentes principales que conforman el sistema de refrigeración. Es decir, se hace circular refrigerante por el compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador, como se aprecia en la siguiente imagen¹.

A través de dichos componentes del sistema de refrigeración industrial, el gas refrigerante realiza un ciclo termodinámico continuo. Este ciclo termodinámico permite extraer calor y disiparlo hacia el exterior.

Componentes principales del sistema de refrigeración por compresión

1. Compresor: Es el equipo donde se incrementar la presión del refrigerante en estado gaseoso (como NH₃, CO₂, HFC, entre otros), elevando simultáneamente su temperatura. Esta compresión permite que el refrigerante circule de forma continua a través del ciclo termodinámico. Según la configuración y demanda del sistema, se emplean distintos tipos de compresores: alternativos de pistón, de tornillo (rotativos) y scroll, cada uno con características operativas específicas en cuanto a capacidad, eficiencia y mantenimiento.

2. Condensador: El condensador es un intercambiador de calor encargado de disipar al ambiente externo la energía térmica contenida en el refrigerante comprimido, que llega a este componente a alta presión y temperatura. Durante este proceso de transferencia de calor, el refrigerante experimenta un cambio de fase, pasando del estado gaseoso al líquido. Este fenómeno de condensación es fundamental para garantizar la continuidad del ciclo de refrigeración y la eficiencia energética del sistema.

3. Válvula de expansión: El flujo del refrigerante líquido proveniente del condensador se expande disminuyendo la presión mediante una restricción física orificio), produciendo la reducción significativa de la temperatura.

4. Evaporador: En este componente, el refrigerante a baja presión y temperatura absorbe energía térmica del entorno, favoreciendo su evaporación. Durante este proceso, el refrigerante cambia de fase de líquido a gas, retornando nuevamente y cerrando así el ciclo termodinámico.

Configuraciones de diseño de los sistemas de enfriamiento

Estos sistemas se diseñan en función de la aplicación industrial específica, puede ser abierta, cerrada o híbrida, cada una adaptada a distintas condiciones operativas, climáticas y de eficiencia energética.

Sistemas de refrigeración abiertos

El sistema abierto se caracteriza por exponer el fluido de enfriamiento (generalmente agua) al ambiente. El calor se transfiere por contacto directo con el aire, como ocurre en torres de enfriamiento. Es eficiente en climas cálidos, pero está sujeto a pérdidas por evaporación, incrustaciones y contaminación externa.

Las torres de refrigeración evaporativas representan un ejemplo de estos sistemas de enfriamiento por evaporación forzada; son utilizadas en aplicaciones civiles e industriales. En el siguiente video se muestra una ilustración animada que explica en forma detallada cómo funcionan estos sistemas. Fuente: Torraval Cooling S.L.

Sistemas de refrigeración cerrados

En contraste, el sistema cerrado circula un fluido dentro de un circuito sellado, sin contacto directo con el aire. Utiliza intercambiadores de calor para disipar la energía térmica. Este diseño minimiza pérdidas de fluido, reduce la contaminación del sistema y ofrece mayor control térmico, siendo ideal para ambientes limpios o donde el agua es escasa o costosa.

Siguiendo con la clasificación, a continuación se presenta un video cortesía de Torraval Cooling S.L., donde nos explican el cómo opera un sistema de refrigeración cerrado.

Sistemas hibridos

Por su parte, el sistema híbrido combina lo mejor de ambos enfoques. Integra un circuito cerrado primario que protege el proceso, con un sistema abierto secundario para maximizar la transferencia de calor al ambiente. Esta configuración optimiza la eficiencia energética y permite una operación flexible ante variaciones estacionales o de carga térmica.

La selección del sistema adecuado debe considerar variables como el perfil térmico del proceso, disponibilidad hídrica, normativas ambientales y costos operativos. Un diseño bien dimensionado y mantenido asegura una disipación térmica confiable, prolongando la vida útil de los equipos y mejorando la eficiencia global del sistema productivo.

Clasificación de los refrigerantes actuales

Refrigerante freón CFC y HCFC: Durante décadas, los clorofluorocarbonos (CFC), como el R-12, y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), como el R-22, dominaron el mercado. Aunque efectivos y seguros en cuanto a toxicidad e inflamabilidad, su uso ha sido restringido o prohibido por su alto potencial de agotamiento de la capa de ozono. Debido a su huella ambiental y persistencia atmosférica son considerados insostenibles a largo plazo².

Refrigerantes sintéticos FFC: Los hidrofluorocarbonos (HFC), como el R-134a, el R-410a y el R-32, han reemplazado gradualmente a los CFC y HCFC, no afectan la capa de ozono, pero sí presentan un alto potencial de calentamiento global (GWP), lo que ha motivado regulaciones más estrictas y búsqueda de alternativas más ecológicas. Ofrecen buena eficiencia, baja inflamabilidad y fácil disponibilidad.

Hidrocarburos naturales: Alternativa ecológica: Los hidrocarburos naturales, como el propano (R-290) y el isobutano (R-600a), son muy utilizados por la industria de refrigeración debido a su bajo impacto ambiental. No dañan la capa de ozono y su GWP es mínimo. Además de su eficiencia energética, son económicamente viables. Sin embargo, presentan riesgos de inflamabilidad, por lo que su implementación requiere un diseño cuidadoso y sistemas de seguridad robustos.

Otros refrigerantes sostenibles: NH₃ y CO₂: Dos opciones altamente eficientes y sostenibles en sistemas de refrigeración industrial son el amoníaco (NH₃) y el dióxido de carbono (CO₂). El NH₃ es muy eficaz en términos energéticos y no contribuye al cambio climático ni al deterioro de la capa de ozono, pero es tóxico. Por su parte, el CO₂ es seguro, barato y ecológico, aunque su alta presión de operación requiere materiales y diseños específicos.

Impacto económico de las fugas de refrigerante

Los refrigerantes, en particular los sintéticos modernos, pueden ser bastante costosos. A esto se suma el costo asociado con la localización y reparación de la fuga. Dependiendo de la gravedad y la ubicación de la fuga, este proceso podría implicar un gran número de horas de trabajo y piezas o equipos potencialmente costosos.

Las consecuencias económicas de las fugas de gas refrigerante son considerables y multifacéticas. Uno de los costos más inmediatos es el de reemplazar el gas perdido. A esto se suma el gasto asociado con la localización y reparación de la fuga, lo cual, implica horas de trabajo especializadas y componentes costosos.

Además, un sistema con fugas pierde eficiencia, traduciéndose en un mayor consumo de energía y mayores costos operativos. También pueden ocurrir tiempos de inactividad que afectan gravemente a sectores sensibles como el alimentario o de centros de datos. De alli la importancia de monitorear contatemente el funcionamiento del sistema de enfriamiento.

Métodos para detectar fugas de refrigerante

Las fugas de refrigerante son uno de los mayores retos en la operación y mantenimiento de estos sistemas. No solo reducen la eficiencia, sino que pueden representar un riesgo para el personal y el medio ambiente. Los métodos modernos de detección incluyen:

• Sensores electrónicos: detectan la presencia de gases específicos mediante variación de conductividad o respuesta infrarroja.
• Equipos ultrasónicos: localizan el sonido de la fuga en condiciones de alta presión.
• Espuma reactiva o burbujeo: método simple pero efectivo en instalaciones pequeñas.
• Sistemas de monitoreo continuo: integrados en sistemas SCADA o IoT para notificaciones inmediatas y trazabilidad

Una detección de fugas a tiempo permite mantener la eficiencia del sistema, evitar paradas no planificadas y cumplir con las regulaciones ambientales.

Función de los detectores de gas refrigerante

Los detectores de gas refrigerante son dispositivos indispensables en la actualidad, especialmente considerando la importancia creciente de la seguridad industrial, la protección ambiental y la eficiencia operativa. 

Tienen como función identificar la presencia de gases refrigerantes en el ambiente, permitiendo la detección temprana de fugas que, de no ser atendidas, pueden acarrear consecuencias graves tanto para las personas como para el entorno y la economía de las empresas.

Mantenimiento y selección del refrigerante

La elección del tipo de refrigerante no debe tomarse a la ligera. Factores como la eficiencia térmica, el impacto ambiental, el costo, la compatibilidad con materiales y las condiciones del proceso son determinantes.

La detección y prevención de fugas de gas refrigerante es una tarea esencial para cualquier industria que utilice estos sistemas. La inversión en detectores adecuados y el conocimiento de su funcionamiento representan una medida estratégica para proteger personas, activos y el medio ambiente, así como para asegurar la sostenibilidad y rentabilidad de las operaciones.

Conclusiones

Los sistemas de refrigeración industrial son componentes importantes en los procesos de refrigeración , y su eficiencia depende en gran medida del tipo de refrigerante utilizado, del control de fugas y del mantenimiento aplicado.

A medida que las regulaciones ambientales se vuelven más exigentes, la transición hacia refrigerantes más ecológicos y sistemas más inteligentes será no solo deseable, sino imprescindible.

La termodinámica industrial proporciona las bases teóricas y principios fundamentales para analizar, controlar y optimizar los procesos energéticos y materiales en la industria para la innovación y la sostenibilidad en el sector productivo.

Referencias

1. Sonntag, R. E., Borgnakke, C., & Van Wylen, G. J. (2003). Fundamentals of thermodynamics (6th ed.). Wiley.
2. Hamdy, M., Askalany, A. A., Harby, K., & Kora, N. (2015). An overview on adsorption cooling systems powered by waste heat from internal combustion engine. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51, 1223–1234. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.034