Cómo funciona -80 ° C
Los productos estrella de Froilabo, los congeladores de muy baja temperatura están disponibles en dos gamas diferentes, el TRUST y el EVOLUTION. La única diferencia visible entre estos dos rangos es su interfaz de usuario. La técnica para generar frío y la unidad de enfriamiento es la misma. ¿Alguna vez te has preguntado cómo funciona tu congelador? ¿A través de qué procesos es posible alcanzar una temperatura tan baja como -80 ° C? Si es así, ¡este artículo fue hecho para ti!
Hay tres elementos decisivos que nos permiten bajar la temperatura a -80 ° C. El primero es el uso de refrigerantes que nos permitan controlar la caída de temperatura. Entonces, saber cómo funciona la unidad de refrigeración de un congelador es fundamental. Finalmente, este desafío técnico es posible gracias a un buen aislamiento para optimizar el rendimiento de nuestros congeladores.
¿Por qué invertir en un congelador a -80 ° C?
El objetivo es la conservación y almacenamiento a largo plazo de diferentes tipos de muestras orgánicas o inorgánicas que se degradarían o serían demasiado activas a temperatura ambiente. La llamada congelación «normal», alrededor de -20 ° C, no permite la conservación a largo plazo de muestras biológicas porque algunos organismos permanecen ligeramente activos a esta temperatura.
¿Qué papel juegan los refrigerantes cuando baja la temperatura?
Los refrigerantes se eligen en función de las temperaturas de funcionamiento de los dos intercambiadores que intervienen en el circuito frigorífico: el condensador y el evaporador. Los fluidos utilizados para obtener bajas temperaturas son diferentes de los fluidos de aire acondicionado, por ejemplo.
¿Qué es un refrigerante?
Un refrigerante puede ser puro o una mezcla de fluidos puros. Puede estar presente en diferentes estados: líquido, gaseoso o ambos, dependiendo de la temperatura o presión. Los refrigerantes son sustancias que se utilizan por sus propiedades termodinámicas en sistemas de refrigeración (aire acondicionado, congelador, frigorífico) o sistemas de producción de calor (bomba de calor). Estas sustancias se utilizan según el principio de que cualquier cambio de estado provoca la liberación o el consumo de energía. Desde un punto de vista químico y termodinámico, se necesita energía para desorganizar la materia, por lo que las moléculas están espaciadas (de líquido a gas), mientras que la unión y organización de las moléculas (de gas a líquido) libera
energía. En resumen, durante la transformación física:
Para pasar del estado líquido al gaseoso, se necesita energía externa.
La transición del estado gaseoso al líquido libera energía.
Por tanto, estas propiedades pueden aprovecharse en un ciclo de compresión y expansión para producir frío o calor. Los refrigerantes se seleccionan de acuerdo con:
Su temperatura de evaporación, generalmente bastante baja.
Presiones relacionadas con el cambio de estado físico.
La cantidad de energía que pueden absorber.
Existe una amplia variedad de fluidos diferentes en el mercado. IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) enumera más de 320 diferentes. Estos refrigerantes tienen una nomenclatura específica. A cada fluido se le asigna una nomenclatura que consta de la letra R (para «refrigerante») seguida de un código de 2 a 5 dígitos / letras que corresponde a su estructura molecular.
Existen diferentes categorías de refrigerantes, diferenciadas por su composición química:
Clorofluorocarbonos (CFC)
Hidroclorofluorocarbonos (HCFC)
Hidrofluorocarbonos (HFC) Perfluorocarbonos (PFC) o hidrocarburos perfluorados (PHFC)
Hidrocarburos o compuestos orgánicos que no entran en las categorías antes mencionadas.
Compuestos inorgánicos como el amoniaco
Los llamados fluidos «naturales» como el CO2
Hidrofluoroolefinas (HFO) o Hidrofluoroalquenos
Los CFC y los HCFC, que son gases clorados, agotan la capa de ozono y son potentes gases de efecto invernadero. Están regulados por el Protocolo de Montreal, ratificado el 16 de septiembre de 1987. Actualmente, los CFC, como el Freón 12, ya no se utilizan. Los HCFC están prohibidos en el mercado desde el 1 de enero de 2015 por el Reglamento 1005/2009 / EC1. Esta medida concierne a todos los fluidos, ya sean vírgenes o reciclados.
Los HFC, a diferencia de los CFC y los HCFC, no contienen cloro. No tienen ningún efecto sobre la capa de ozono, pero contribuyen al efecto invernadero y, de hecho, están regulados por el Protocolo de Kioto, ratificado el 11 de diciembre de 1997. Esta cuestión está en el origen del nuevo reglamento europeo sobre gases fluorados que entró en vigor vigente el 1 de enero de 2015, según el reglamento n ° 517/20142. El objetivo de este reglamento es limitar las emisiones de gases de efecto invernadero en el contexto de la lucha contra el calentamiento global. Estos fluidos se clasifican de acuerdo con su GWP y todas las normas tienen como objetivo autorizar solo gases con un GWP reducido.
Se puede encontrar una solución a los HFC en los llamados fluidos naturales como el CO2 (GWP = 1), también conocido como R744. Como su uso es relativamente restrictivo (alta presión), se ha preferido utilizar otros fluidos naturales, como los hidrocarburos (como el propano, también llamado R290) que tienen excelentes propiedades termodinámicas pero son inflamables. En Froilabo, nuestros productos ahora están disponibles en versiones estándar y de gas natural.
Ahora se está desarrollando otra familia de refrigerantes: los HFO. Estos fluidos tienen la ventaja de tener un bajo GWP y una eficiencia energética comparable a los HFC. Pero, de momento, no son compatibles con nuestras aplicaciones en frío. Estos fluidos son muy similares a los HFC, pero tienen un doble enlace que les permite ser menos estables en la atmósfera y tener una vida útil más corta y, por lo tanto, un GWP más bajo. Sin embargo, esto
el doble enlace les confiere cierta inflamabilidad.
La idea principal del actual período de transición es encontrar alternativas a todos los gases existentes. El objetivo es reducir el impacto general de los aparatos que generan frío manteniendo un alto rendimiento. Estos fluidos están en el centro de los problemas de todos los fabricantes que los utilizan para sus aplicaciones.
¿Qué papel juega la unidad de refrigeración en el descenso de temperatura hasta -80 ° C?
Actualmente existen dos tipos de frío: el frío mecánico que se comentará aquí. Y frío criogénico que utiliza gases como CO2 (Tb = -78,5 ° C, a 1atm), N2 (Tb = -195,8 ° C, a 1atm) o He (Tb = -269 ° C, a 1atm) para enfriar las muestras. .
1 Reglamento n ° 1005/2009 de 16/09/09 relativo a sustancias que agotan la capa de ozono
2 Reglamento (UE) n ° 517/2014 de 16/04/14 sobre gases fluorados de efecto invernadero y por el que se deroga el Reglamento (CE) n ° 842/2006
(N ° 517/2014, publicado en el Diario Oficial de la Unión Europea el 20 de mayo de 2014)
Para la refrigeración mecánica, se utilizan refrigerantes porque tienen propiedades físicas especiales, como la facilidad de cambio de estado a bajas presiones y bajas temperaturas, que es necesaria para el funcionamiento de la unidad de refrigeración.
El concepto de unidad de refrigeración no es reciente y se remonta a mediados del siglo XIX gracias a Lord Kelvin: un refrigerante circula en un circuito cerrado y cambia de estado fácilmente bajo la influencia de la presión.
Aparentemente simple, un congelador de temperatura ultrabaja cumple con los diversos desafíos técnicos involucrados en su diseño, pero alcanzar temperaturas de -80 ° C es un verdadero desafío.
Un sistema de refrigeración básico consta de 4 elementos (figura 1) responsables de la producción de frío:
El Evaporador: contiene el refrigerante a presión atmosférica normal P1; el líquido se vaporiza, por lo que se requiere energía. Esta energía se toma del interior del congelador. Por tanto, el aire interior y las muestras presentes se enfrían. El evaporador es el componente principal del proceso de refrigeración.
El compresor: en el compresor, la presión del fluido pasa a ser P2> P1. El fluido es siempre gaseoso y su temperatura se eleva a T2> T1.
El Condensador: en el condensador, el gas se enfría en contacto con el aire ambiente, lo que hace que el gas se licue (pasa de un estado gaseoso a un estado líquido): esto libera calorías, y por lo tanto calor (esto explica por qué la parte posterior del el frigorífico está caliente).
La Válvula de Expansión: permite bajar la presión del líquido refrigerante a su valor inicial (P1). La presión desciende, por lo que la temperatura también desciende.
El primer desafío se refiere a la propia creación del frío. De hecho, existen varios sistemas de congelación: compresores dobles en cascada, compresores dobles independientes y motor Stirling. Estos son los principales utilizados en todo el mundo. Hablaremos aquí con el sistema utilizado en Froilabo, los compresores dobles en cascada.
El sistema consta de dos circuitos herméticos (uno de «alta temperatura» y otro de «baja temperatura») conectados por un intercambiador de calor de placas. Este intercambiador de calor de placas juega un papel fundamental ya que permite el intercambio de calor entre los dos circuitos. En cada circuito actúa tanto como evaporador para la parte de alta presión como como condensador para la parte de baja presión. Cuanto más eficiente sea el intercambio de calor entre los dos
circuitos, mejor será el rendimiento general de la unidad, lo que garantiza un menor consumo y una mayor homogeneidad.
Cada circuito tiene un gas refrigerante diferente con las características requeridas para las temperaturas que alcanza el circuito (por ejemplo: R417A o R290 para el circuito de alta presión y R508B o R170 para el circuito de baja presión).
¿Cómo influye el aislamiento en la optimización del rendimiento de los congeladores?
El último desafío es simple, pero sin embargo crucial para asegurar el buen rendimiento del equipo: ¿cómo mantener el frío dentro del congelador?
La transferencia de calor en general tiene lugar de tres formas diferentes: convección, conducción y radiación. La creación de un vacío en la pared del congelador prácticamente elimina la convección, ya que la convección se basa en la transferencia de energía térmica por desplazamiento de masa de moléculas de gas. La conducción también se ve muy disminuida por la ausencia de partes de contacto en casi todo el congelador. La proporción debida a la radiación es muy pequeña.
Por lo tanto, el uso de paneles aislados al vacío (VIP) proporciona una forma de aislamiento térmico que es de 6 a 8 veces más eficiente que el aislamiento de lana convencional. Los paneles VIP se utilizan en los marcos de los congeladores para proporcionar un rendimiento de aislamiento superior al de los materiales de aislamiento convencionales. Consisten en una pared estanca a los gases que rodea un núcleo rígido del que se ha evacuado el aire.
Gracias al aislamiento (Figura 2) en los seis lados del congelador, los paneles de vacío (VIP) utilizados en el diseño del congelador, junto con la espuma de poliuretano de alta densidad, reducen la conductividad térmica a valores por debajo de 0,005 Wm-1 .K-1 . El cobre es un excelente conductor. Tiene una de las conductividades térmicas más altas de todos los metales a 380 W.m-1.K-1. Para obtener el mismo valor con el aislamiento convencional, mucho más grueso se requerirían paredes. Por lo tanto, el uso de tales paneles también ahorra espacio dentro del congelador y, por lo tanto, la relación entre el volumen interior y el espacio del piso.
Figura 2: Diagrama en rodajas de la pared aislada de un congelador
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