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Aquí hay ciencia

Cómo refresca el aire acondicionado

¿Qué ocurre en el interior de un aparato de aire acondicionado para que consiga refrescar el ambiente y hacernos más llevadero el calor del verano?

Miquel Tusón 25/08/2018 a las 05:00
El compresor y el condensador se ubican en el exterior de la casaJlmaral


Probablemente mientras leáis estas líneas estaréis acalorados y os caerá más de una y de dos gotas de sudor si, igual que quien escribe este artículo, estos días de verano no disponéis en casa de un aparato de aire acondicionado. Para llevar un poco mejor el calor, aunque solo sea por sugestión, hoy hablaremos de la ciencia que hay detrás de uno de los inventos que más han ayudado a nuestras sociedades modernas a superar la canícula: la ciencia del aire acondicionado.

¿Qué ocurre en el interior de un aparato de aire acondicionado cuando lo conectamos?

¿Os habéis preguntado cómo consigue refrescar una habitación? La magia de estos chismes tiene poco de misterio y bastante de ciencia.

Podríamos empezar refrescándonos con un poco de física. El primer principio de la termodinámica establece la ley de la conservación de la energía, según la cual la energía no puede ser creada ni destruida; más bien, solo puede transformarse de una forma a otra de energía: por ejemplo, la fricción convierte la energía cinética en energía térmica. El segundo principio de la termodinámica se refiere a la dirección de los procesos naturales y afirma que un proceso natural se ejecuta solo en un sentido, y no es reversible. Por ejemplo, el calor fluye espontáneamente de un cuerpo o materia caliente a uno de más frío, y nunca al revés, a menos que se aplique un trabajo mecánico en el sistema.

Veamos cómo se aplica esto a un aparato de aire acondicionado. Este es un dispositivo o mecanismo diseñado para extraer calor de un área mediante un ciclo de refrigeración. El principio básico de la refrigeración consiste en que una sustancia química que denominamos refrigerante o fluido frigorígeno, y que tiene unas determinadas características que veremos a continuación, pasa del interior al exterior de un espacio, por ejemplo de una casa, y viceversa, absorbiendo y eliminando el calor durante el proceso.

El refrigerante empleado en los ciclos de refrigeración es una sustancia química, generalmente un fluido, que pasa por transiciones de fase, de líquido a gas y viceversa. Para ser un buen refrigerante, la sustancia utilizada debe pasar de estado líquido a gaseoso fácilmente. Tiene que tener un punto de ebullición bajo: es decir, pasar de líquido a gas a bajas temperaturas. Estos cambios de estado y la energía implicada en ellos constituyen la base de la refrigeración que proporcionan los sistemas de aire acondicionado.

El refrigerante absorbe calor cuando se encuentra en estado líquido y, como consecuencia, sufre un cambio de estado transformándose en un gas. A continuación, el sistema fuerza que el refrigerante vuelva a estado líquido y, en este proceso, libera el calor que absorbió inicialmente. Y ya estará listo para volver a absorber otra vez el calor en un nuevo ciclo.

Imaginemos que el refrigerante es como la sangre que circula por dentro del sistema de refrigeración: en el interior de la casa absorbe calor y lo suelta en el exterior. Como resultado tendremos un ambiente interior más frío que el exterior.

¿Qué hay dentro de un aire acondicionado?

Pero para entenderlo mejor vayamos por partes. Las de un sistema de aire acondicionado son básicamente cuatro: un evaporador, un compresor, un condensador y una válvula de expansión.

El evaporador es la parte que se encuentra dentro de casa. Un ventilador hace pasar el aire caliente de la estancia que debemos enfriar a través de las bobinas del evaporador, por las que circula el refrigerante que, en este punto, es un líquido frío. Como decíamos, el calor siempre fluye de un material a alta temperatura a un material a baja temperatura. Dado que el evaporador está a una temperatura más baja que el aire que lo rodea, irá absorbiendo el calor circundante y, como consecuencia, enfriará el aire, que será retornado por un ventilador hacia la habitación. A medida que el refrigerante absorbe el calor del ambiente, aumenta su temperatura y se convierte en un gas: se evapora, eso sí, dentro de las tuberías del sistema de aire acondicionado.

A continuación, el refrigerante, en forma de vapor de baja presión, entra en el compresor, una de las dos partes del sistema junto con el condensador que se encuentra en la unidad ruidosa que hay en el exterior de la casa. Allí, como su nombre indica, el gas se comprime incrementando su presión y su temperatura. En el compresor se produce un intercambio de energía entre la máquina y el fluido: el compresor ejerce trabajo para comprimir el gas y así aumenta su presión y energía cinética impulsándolo. A partir de aquí, el refrigerante, que ahora es un gas caliente a presión, entra en el condensador, donde va transfiriendo el calor hacia el ambiente exterior (que está a menos temperatura) y se condensa nuevamente a estado líquido de alta presión. Por eso, cuando pasamos cerca de la parte exterior de un aparato de aire acondicionado notamos más calor. La parte externa del sistema de aire acondicionado posee un ventilador que hace circular aire por un intercambiador de calor que favorece que se disipe el calor más rápidamente.

Finalmente, la válvula de expansión regulará el flujo de refrigerante líquido otra vez hacia el evaporador, donde volverá a absorber calor del interior de la casa.. La válvula tiene un orificio pequeño por donde pasa el refrigerante que hace que disminuya su presión y su temperatura hasta 4 grados centígrados.

¿Qué ocurre con la humedad?

Los aparatos de aire acondicionado también 'acondicionan' el aire reduciendo la humedad y haciendo el ambiente más agradable. La cantidad de vapor de agua en el aire se relaciona con la forma en que nuestro cuerpo percibe el calor, ya que la evaporación del sudor de nuestra piel, que nos ayuda a eliminar el calor de nuestro cuerpo, se ve dificultada en un ambiente más húmedo.

La humedad del aire del interior de la casa se condensa encima de las bobinas del evaporador por la diferencia de temperatura y va goteando y es recogida en una bandeja, desde donde generalmente se elimina hacia el exterior por un tubo. Así ocurre que en los días de más humedad es cuando los aparatos de aire acondicionado producen más agua.

Impacto sobre el ozono y efecto invernadero

Dos de los compuestos que fueron inicialmente más empleados como refrigerantes son los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) por el hecho de que no sean inflamables ni tóxicos. Aún así, como gases son muy estables y permanecen en la atmósfera entre 50 y 200 años. Los CFC y HCFC en la estratosfera se disocian liberando cloro y de ahí su gran potencial destructor de la capa de ozono. Por esta razón, en 1987, en el marco del protocolo de Montreal los Estados firmantes acordaron un calendario para reducir su producción hasta llegar a su eliminación. Estos han sido sustituidos por otros compuestos como los hidrofluorocarburos (HFC) o los perfluorocarbonos (PFC) que, no suponen un riesgo para la capa de ozono porque no contienen cloro, pero sí que son gases de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global similar al de los CFC y HCFC.

Nuevas alternativas

En las últimas décadas, los científicos han investigado para encontrar alternativas más ecológicas, con menor potencial de calentamiento global. Entre ellas se cuenta el uso del metilpropano, promovido y desarrollado por Greenpeace junto con la empresa alemana Foron en los años noventa, bajo el nombre de Green Freeze, y de amplio uso en refrigeración doméstica y en neveras. Y curiosas alternativas en fase de investigación como una desarrollada en la Universidad de Singapur a base de agua que enfría el aire hasta 18 grados centígrados sin usar mucha energía, ni compresores, ni refrigerantes químicos, y que, adicionalmente, produce agua potable.  

La primera unidad de aire acondicionado eléctrica moderna fue inventada por el ingeniero estadounidense Willis Carrier en 1902, en Buffalo, Nueva York. Desde entonces, no sabemos hasta qué punto el aire acondicionado ha cambiado nuestras sociedades modernas… pero, por lo menos, podemos afirmar con toda rotundidad que es el invento que más ha contribuido a refrescarlas.

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