Los aires acondicionados proporcionan el tan necesario confort térmico durante un verano abrasador, más específicamente, ayudan a mantener la temperatura de la habitación en el nivel óptimo. También ayudan a eliminar partículas en el aire y humedad de la habitación. Vamos a descubrir cómo funcionan estos dispositivos.
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El principio fundamental de un aire acondicionado
Un aire acondicionado tiene dos bobinas conectadas con un fluido refrigerante en constante movimiento en su interior. La bobina dentro de la habitación se llama evaporador y la bobina fuera de la habitación se llama condensador. El principio fundamental de un aire acondicionado es simple: mantener el evaporador frío, más específicamente, más frío que la temperatura de la habitación, y el condensador caliente, más específicamente, más caliente que el entorno. Con estas condiciones, el fluido en movimiento absorberá el calor de la habitación y lo expulsará hacia el entorno. Esta es la regla fundamental de un aire acondicionado.
Implementación de la regla fundamental
Para lograr este objetivo, se necesitan dos componentes adicionales dentro del aire acondicionado: un compresor y una válvula de expansión. El compresor aumenta la presión del refrigerante. Aquí puedes ver un ejemplo de funcionamiento de un compresor tipo reciprocante que maneja el refrigerante en estado gaseoso. A medida que comprime el gas, la temperatura se eleva junto con la presión. La temperatura en la salida del compresor será mucho más alta que la temperatura atmosférica. Por lo tanto, si haces pasar este gas caliente a través del intercambiador de calor del condensador, puedes expulsar fácilmente el calor. Un ventilador en la unidad del condensador facilita esta tarea. Durante esta fase de expulsión de calor, el gas se condensa en líquido. En la salida del condensador se coloca una válvula de expansión cuya finalidad es restringir el flujo del refrigerante, reduciendo así la presión del fluido.
Generación de refrigerante frío
Aquí viene el truco principal. Seguramente sabes que es posible hervir un líquido simplemente reduciendo la presión alrededor de este. Este fenómeno también ocurre dentro de la válvula de expansión. A medida que la presión disminuye, una parte del líquido refrigerante se evapora. Sin embargo, para que ocurra esta evaporación, es necesario suministrarle energía. Esta energía proviene del interior del refrigerante, por lo que su temperatura desciende. Así es como se produce el refrigerante frío dentro de un aire acondicionado. Este refrigerante a baja temperatura debe estar a una temperatura inferior a la de la habitación. Por lo tanto, al pasar el aire de la habitación sobre la bobina del evaporador, la temperatura de la habitación disminuirá. El refrigerante se convierte en vapor durante este proceso de absorción de calor.
Toneladas y otros componentes
Habrás escuchado un término llamado tonelada asociado con los aires acondicionados. La tonelada representa la cantidad de calor que el evaporador puede absorber de la habitación, en pocas palabras, representa la capacidad de remoción de calor del aire acondicionado. De esta manera, hemos logrado la regla fundamental de un aire acondicionado: la temperatura es más baja que la de la habitación en la bobina dentro de la habitación, y la temperatura es más alta que la atmosférica en la bobina fuera de la habitación. En un aire acondicionado real, el compresor se encuentra cerca del condensador y la válvula de expansión cerca del evaporador.
Hay algunos problemas prácticos con este diseño. Cerca de las bobinas del evaporador, la temperatura del aire será bastante baja, lo que provocará la condensación de agua en las bobinas del evaporador. Por eso necesitamos un conducto para eliminar esta condensación de agua. Los aires acondicionados modernos utilizan compresores de tipo scroll en lugar del tipo reciprocante. Puedes ver cómo ocurre el proceso de compresión en esta animación. Son silenciosos y tienen un buen control de velocidad.
Control de temperatura y flujo de refrigerante
¿Sabes cómo tu aire acondicionado puede mantener una temperatura de habitación casi constante independientemente de la carga? Los aires acondicionados modernos utilizan una tecnología de motor de velocidad variable llamada tecnología inverter para un mejor control de temperatura. Simplemente ajustando la velocidad del motor, se puede controlar la velocidad del compresor, el flujo del refrigerante y la capacidad de enfriamiento de manera precisa.
La importancia de la válvula de expansión termostática
El compresor de un aire acondicionado está diseñado para manejar solo vapor, y una pequeña fracción de contenido líquido puede afectar su rendimiento y dañar el compresor. Por estas razones, se desea que el evaporador convierta todo el líquido en vapor e incluso aumente la temperatura del vapor entre 5 y 8 grados Celsius después de la conversión. ¿Cómo se asegura de que el líquido que entra al compresor sea puramente vapor? Esta condición se mantiene mediante una válvula de expansión especial llamada válvula de expansión termostática (TXV por sus siglas en inglés). La TXV es similar a la válvula de expansión que vimos anteriormente, pero aquí la temperatura de un bulbo controla la aguja. El bulbo está conectado a la salida del evaporador y el refrigerante dentro del bulbo está separado del ciclo principal de refrigeración por medio de un diafragma. Cuando el bulbo está caliente, el refrigerante dentro de él se evaporará y la aguja se moverá hacia abajo. Sabemos que el enfriamiento repentino del refrigerante se logra mediante la restricción. Cuanto más estrecha sea la restricción, más frío será el refrigerante de salida. Consideremos una situación desfavorable para el compresor: supongamos que la temperatura del evaporador no es tan baja, por lo que el evaporador absorbe muy poco calor y todo el líquido de él no se convertirá en vapor. Por lo tanto, el refrigerante que sale al compresor no estará sobrecalentado. Esta baja temperatura en la salida del evaporador será detectada de inmediato por el bulbo y hará que la aguja se mueva hacia arriba y estreche la restricción. La restricción estrecha provoca una buena caída de temperatura, por lo que el evaporador recibirá un fluido mucho más frío y podrá absorber una gran cantidad de calor. Esto asegurará que todo el líquido se convierta en vapor. De esta manera, la tarea compleja de tener una condición de solo vapor en la entrada del compresor se mantiene automáticamente por el TXV.
Aclararemos un malentendido común en esta etapa: las TXV no controlan la temperatura de la habitación, solo se aseguran de que el compresor reciba el refrigerante en forma de vapor puro. La velocidad de flujo del refrigerante y la temperatura de la habitación se controlan mediante la velocidad del compresor. Debido a su simplicidad y eficiencia, las TXV se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y domésticas.
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